Bachelorarbeit-Version5.5

Konzept der Steuerung für das Kryostat-VakuumPumpsystem Wendelstein 7-X
Bachelor-Thesis
zur Erlangung des akademischen Grades
„Bachelor of Science“
Im Studiengang Elektrotechnik
Erstgutachter:
Prof. Dr. -Ing. Birgit Steffenhagen
Zweitgutachter:
Dipl. Ing. (FH) Olaf Volzke
vorgelegt von
Eric Bleck
Matrikelnummer: 9631
Alfred-Wegener-Str.20
17493 Greifswald
vorgelegt am:
20.02.2012
Eidesstattliche Erklärung
Ich versichere:

dass ich die Bachelorarbeit selbstständig verfasst, andere als die
angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und mich auch sonst
keiner unerlaubten Hilfe bedient habe.

dass ich dieses Bachelorthema bisher weder im In- noch im Ausland zur
Begutachtung in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe.

dass
diese
Arbeit
mit
der
vom
Begutachter
beurteilten
übereinstimmt.
Datum
Unterschrift
Arbeit
I
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung............................................................................................. 1
1.1
Einführung und Motivation ............................................................... 1
1.2
Zielstellung und Aufbau der Arbeit ................................................... 3
2
Projektbeschreibung ............................................................................ 5
2.1
Das Projekt Wendelstein 7-X ........................................................... 5
2.2
Kryotechnik der Spulen .................................................................... 7
2.3
Aufgaben des Pumpsystems ......................................................... 10
3
Grundlagen der Vakuumerzeugung .................................................. 11
3.1
Grundbegriffe ................................................................................. 11
3.2
Verwendete Vakuumkomponenten ................................................ 13
3.2.1
Vakuumpumpen ....................................................................... 13
3.2.2
Drucksensoren ......................................................................... 17
3.2.3
Schieber und Ventile ................................................................ 18
4
Aufbau der Pumpstände .................................................................... 19
4.1
Anlagen- und Verfahrensbeschreibung.......................................... 19
4.2
Anordnung in der Torushalle .......................................................... 24
4.3
Hardware zur Ansteuerung und Visualisierung .............................. 26
5
Funktionsbeschreibung der Pumpstände .......................................... 28
5.1
Bedienung und Betriebsarten ........................................................ 28
5.2
Zustände der Pumpstände............................................................. 29
5.2.1
Aus ........................................................................................... 29
5.2.2
Not-Aus .................................................................................... 30
5.2.3
Hochvakuum ............................................................................ 30
5.2.4
Stand By ................................................................................... 31
5.3
Zustandsübergänge ....................................................................... 33
5.4
Zustandstabelle ............................................................................. 34
5.5
Ablaufdiagramm ............................................................................. 35
5.6
Verriegelungen und Störungsmeldungen....................................... 37
6
Übergeordnete Prozesssteuerung ..................................................... 40
6.1
Freigabesignale und Signale für CoDaC Schnittstelle ................... 40
6.2
Zustände des Pumpsystems .......................................................... 41
6.2.1
Aus ........................................................................................... 42
6.2.2
Not-Aus (Zentral) ...................................................................... 42
II
6.2.3
Vorbereitung ............................................................................. 43
6.2.4
Ein ............................................................................................ 43
6.3
Zustände W 7-X ............................................................................. 54
6.4
Verriegelungen und Störungsmeldungen....................................... 56
7
8
Aufbau der Steuerung ....................................................................... 58
7.1
Hardware ....................................................................................... 58
7.2
Software......................................................................................... 59
Zusammenfassung und Ausblick ....................................................... 62
Abbildungsverzeichnis ................................................................................. 64
Tabellenverzeichnis ..................................................................................... 66
Quellenverzeichnis ....................................................................................... 67
Abkürzungsverzeichnis ................................................................................ 68
Anhang ......................................................................................................... 69
KKS-Kennzeichnung ................................................................................ 69
Betriebsmittelschlüssel ............................................................................. 70
Aggregateschlüssel .................................................................................. 75
Position der Stutzen und TMP’s ............................................................... 77
Ablaufdiagramme ..................................................................................... 78
Aufbau der Pumpstände ........................................................................... 89
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1
Einleitung
1.1
Einführung und Motivation
Das
Fusionskraftwerk
als
Alternative
für
fossile
Energieträger
und
Kernkraftwerke ist die Vision des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik
(IPP). Doch was passiert bei der Kernfusion? Ein Beispiel hierfür ist unsere
Sonne. Sie besteht zu großen Teilen aus Wasserstoff, welches in mehreren
Schritten zu Helium fusioniert und Energie frei setzt. Damit die Abstoßung
zweier Atomkerne überwunden wird und die Fusion möglich ist, müssen
diese mit einer hohen Geschwindigkeit aufeinander treffen. Diese Energie
kann z.B. in Form von Wärme zugeführt werden. Dabei kommt es zur
Stoßionisation und das Gas wird ionisiert. Diesen Zustand nennt man
„Plasma“. Ein Plasma ist elektrisch leitend und somit durch elektrische und
magnetische Felder beeinflussbar. Wasserstoff und seine Isotope haben bei
der Kernfusion eine besondere Bedeutung. Denn Wasserstoff, Deuterium
und Tritium sind Atome mit geringer Bindungsenergie. Die bei der Kernfusion
freiwerdende Energie, in Form von kinetischer Energie, ergibt sich aus der
Massendifferenz1 der Atomkerne zwischen den Reaktionspartnern und den
Reaktionsprodukten nach der Einsteinschen Beziehung E = mc2. Atome
niedriger Bindungsenergie pro Nukleon2 fusionieren zu einem Atom mit
höherer Bindungsenergie. Als Beispiel wird die Fusion von Deuterium und
Tritium dargestellt:
1
Massendefekt oder Massendifferenz siehe: [Max03], S.8.
2
Nukleon beschreibt den Atomkern, also Protonen und Neutronen.
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Abbildung 1:
Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium3
Fusionsreaktionen
D+T
→
4He
+n+
17, 58 MeV
D+D
→
3He
+n+
3, 27 MeV
D+D
→
T+p+
D + 3He
→
4He
p + 11B
→
3 4He +
8, 70 MeV
+p+
4, 03 MeV
18, 35 MeV
Brutreaktionen in Lithium
7Li
+n
→
4He
+T+n-
2,47 MeV
6Li
+n
→
4He
+T+
4,78 MeV
Tabelle 1:
Verschiedene Fusionsreaktionen4
Von diesen Reaktionen verspricht die Fusion der beiden Wasserstoffisotope
(D + T) die größte Energieausbeute. Denn im Vergleich zur D und 3He
Fusionsreaktion wird eine geringere Plasmatemperatur benötigt. Tritium ist
radioaktiv, besitzt allerdings nur eine Halbwertszeit von ca. 12 Jahren. Es
wird durch die Fusion aus Lithium und einem Neutron gewonnen. Lithium
und Deuterium sind in großen Mengen auf der Erde vorhanden.
Bevor es zur Kernfusion kommt wird der Plasmazustand erreicht. Ein Plasma
besitzt die Eigenschaft zu „Zünden“. Dabei hält sich die Temperatur des
Plasmas aufrecht, ohne äußere Energiezufuhr. Dafür muss die Energie der
erzeugten Heliumkerne ausreichend groß sein, da diese für das Heizen des
Plasmas verantwortlich sind. Hierfür sind Temperatur, Plasmadichte und die
3
Quelle: http://www.science-guide.eu/kernfusion.html [Stand: 23.11.11].
4
Quelle: [Max03], S.9.
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Energieeinschlusszeit von Bedeutung. Für ein erfolgreiches „Zünden“
müssen diese drei Werte im Produkt eine bestimmte Mindestgröße
überschreiten. Die Dichte und Energieeinschlusszeit sind stark von der
Temperatur abhängig, bei einer Temperatur von etwa 100 Millionen Grad
herrschen die günstigsten Bedingungen5. Bei der Fusion werden ein
Heliumkern und ein Neutron mit hoher Bewegungsenergie frei. Mit diesem
Heliumkern kann das Plasma geheizt werden. Das schnelle Neutron soll
später im Kraftwerk seine Energie an einen Wärmeträger übertragen, womit
dann wiederum eine Turbine angetrieben werden soll. Der Weg bis zu einer
kommerziellen Nutzung wird noch ca. bis zur Mitte dieses Jahrhunderts
dauern. Eine kurzfristige Alternative stellt die Kernfusion also nicht dar.
[Max03]
Für das Projekt Wendelstein 7-X (W7-X) werden mehrere Vakua benötigt.
Dazu gehören das Isolationsvakuum im Kryostat (Kryovakuum), das Vakuum
im Plasmagefäß und das Zwischenvakuum, z.B. in Doppeldichtungen und
mehrlagigen Bälgen. Im Jahr 2013 sollen die dafür benötigten Pumpsysteme
implementiert werden.
1.2
Zielstellung und Aufbau der Arbeit
Zusätzlich
zur
Projektspezifikation
und
Sicherheitsanalyse
für
das
Vakuumsystem „Kryostat“ wird ein Konzept benötigt, dass als Grundlage für
Ausschreibungen und der Implementierung des Pumpsystems dienen soll.
Die Arbeit beginnt mit einer Projektbeschreibung. Mit dieser Beschreibung
wird ein kleiner Einblick in das Projekt W7-X möglich. Hauptsächlich soll
daraus erkennbar werden, warum ein Kryovakuum benötigt wird und wie es
bereitgestellt wird (Kapitel 1 und 2). Des Weiteren wird auf die allgemeine
Vakuumerzeugung eingegangen. Dazu werden in Kapitel 3 speziell die
Komponenten zur Erzeugung und Überwachung des Vakuums beschrieben.
Daraus folgen der Aufbau der Kryopumpstände und die Ansteuerung der
Komponenten
in
Kapitel
4.
5
Siehe: [Max03], S.10.
6
Projektspezifikation – Kryostat-Vakuum.
Aus
der
Projekt-Spezifikation
P0526
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(1-ABG7-S0000.0) und der Sicherheitsanalyse „Vakuumsystem Kryostat
(ABG)“ (1-ABG-T0000.0)
wird die Funktionsweise eines einzelnen
Pumpstands sowie der übergeordneten Prozesssteuerung entworfen (in
Kapitel 5 und 6). In Kapitel 7 wird die Hardware und Software der Steuerung
beschrieben. Die Zusammenfassung und der Ausblick schließen die Arbeit
ab.
7
ABG – nach KKS (Kraftwerks-Kennzeichnungs-Standard). Bedeutung: A-Torussystem,
B-Kryostat, G-Vakuumsystem.
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2
Projektbeschreibung
2.1
Das Projekt Wendelstein 7-X
Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) beteiligt sich mit seinen
beiden Experimenten, dem ASDEX8 Upgrade in Garching und dem
Wendelstein 7-X an der internationalen Forschung. Wobei in Garching ein
Fusionsreaktor vom Typ „Tokamak“ und in Greifswald vom Typ „Stellarator“
getestet wird. Beide weisen bauliche sowie technische Unterschiede auf. Ein
besonderes
Merkmal
für
die
baulichen
Unterschiede
sind
die
unterschiedlichen Spulensysteme. Beim Tokamak wird zusätzlich ein
Transformator benötigt, der einen Plasmastrom induziert. Dieser kann den
Strom nicht dauerhaft treiben und muss deshalb entladen werden. Aus
diesen Gründen wird dieser Typ gepulst betrieben und ist noch9 nicht für den
Dauerbetrieb geeignet.
8
Axially Symmetric Divertor EXpt..
9
Es werden Methoden untersucht, den Strom dauerhaft zu treiben.
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Abbildung 2:
Prinzipieller Aufbau des W7-X10
Beim Projekt Wendelstein 7-X wird das Plasma ausschließlich durch äußere
Magnetfelder beeinflusst und benötigt keinen Transformator. Da das Plasma
beim kreisförmigen Feldlinienverlauf nach außen an die Gefäßwand driften
würde, werden nicht-planare Spulen eingesetzt, so dass sich der
Feldlinienverlauf
schraubenförmig um die „Seele des Torus“11 windet.
Aufgrund dieser Eigenschaften wird der W7-X auch „Der optimierte
Stellarator“ genannt. Insgesamt kommen 50 dieser nicht-planaren- (modular
coil) und 20 planare Spulen (ancillary coil) zum Einsatz. Mit den planaren
Spulen können charakteristische Größen des Magnetfeldes bis zu 10 %
verändert werden.
Die Stromleiter der Magnete sind aus Niob-Titan gefertigt und werden mit
flüssigem Helium auf 4 K (-269 °C) gekühlt. Aufgrund dieser Betriebstemperatur wird das Spulensystem in einem Kryostaten untergebracht, der
thermisch vom Plasmagefäß und der Umgebungstemperatur isoliert sein
10
Vgl. [Max10], S.13.
11
Beschreibt die zentrale Magnetfeldlinie.
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muss. Dazu sind an den abgrenzenden Wänden thermische Schilde aus
Kupfer-Edelstahl-GFK-Kombination und einer mehrlagigen Superisolation
aufgebracht.
Am
W7-X
kommen
unterschiedliche
Typen
von
Plasmaheizungen zum Einsatz, die Mikrowellen- sowie Neutralteilchen- und
Radiowellenheizung.
Mikrowellenstrahlen
mit
einer
Frequenz
von
140 Gigahertz und einer Leistung von 10 Megawatt heizen das Plasma im
inneren Gefäß auf. Diese werden in zehn Gyrotrons12 erzeugt und über
Spiegel ins Plasmagefäß gelenkt. Aufgabe des Projekts wird sein, die
Kraftwerkstauglichkeit nachzuweisen und mit Hilfe der Diagnostiken neue
Erkenntnisse zu liefern.
2.2
Kryotechnik der Spulen
Wie in Punkt 2.1 beschrieben wurde, sind die Spulen im Kryostaten
untergebracht. Die supraleitenden Stromleiter werden mit flüssigem Helium
durchspült. Damit eine Temperatur von 4 K erreicht werden kann, ist
Kryotechnik unerlässlich. Diese unterscheidet sich von der üblichen
Kältetechnik und wird im Temperaturbereich < 120 K (< -153 °C)
angewendet.
Bei diesen Temperaturen ist Vakuum mit seiner wärmeisolierenden
Eigenschaft von großer Bedeutung. Desto weniger Gasmoleküle sich im
Volumen befinden, umso geringer wird die Wärmeleitung. Die Güte der
Wärmeisolation wird mit kleiner werdender Arbeitstemperatur immer
wichtiger. An den kalten Bauteilen (Spulen, Stützstruktur, thermischen
Schilde) gettern alle Gase, mit Ausnahme von Helium. Das bedeutet, dass
diese Gase in fester Form an den Kaltflächen gebunden werden und somit
keinen Einfluss auf die Wärmeleitung im Volumen des Rezipienten13 mehr
haben. Helium besitzt die besondere Eigenschaft, dass es erst nahe dem
absoluten Nullpunkt von 0 K in den festen Zustand übergeht. Durch diese
Eigenschaft wird die Messung eines Heliumlecks möglich. Mit einem
Massenspektrometer kann dieses Leck festgestellt werden. Für die
12
Mikrowellen-Oszillator mit je 1 MW.
13
Rezipient ≙ Vakuumkammer ≙ Kryostat.
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Betrachtung der vorkommenden Gase im Kryostat müssen besonders die
Bestandteile der Luft beachtet werden. Dazu folgende Tabelle:
Volumenanteil
N2
78,08 %
O2
20,95 %
Ar
0,93 %
CO2
≈ 350 ppm14
Ne
≈ 18 ppm
He
≈ 5 ppm
≈ 1,8 ppm
CH4
Kr
≈ 1 ppm
H2
≈ 0,5 ppm
Tabelle 2:
Bestandteile der Luft
Kondensieren diese Gase kann man anhand der Kurven des gesättigten
Dampfes15 den physikalischen Übergang zum Feststoff erkennen.
14
Parts-per-million, 1% = 10.000 ppm.
15
Definition Sättigungsdampfdruck siehe 3.1
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PS
1
2
3
Kältemittel zum Kryopumpen:
1 – LHe (Liquid Helium)
2 – LH2 (Liquid Hydrogen)
3 – LN2 (Liquid Nitrogen)
Abbildung 3:
Sättigungsdampfdrücke relevanter Gase16
Die Abbildung zeigt die Sättigungsdampfdrücke relevanter Kondensate von
Gasen in Abhängigkeit von der Temperatur der kalten Flächen. Unterhalb
des Tripelpunktes wird aus dem Kondensat ein Feststoff. Betrachtet man die
Dampfdruckkurven, sind die Kältemittel von besonderer Bedeutung. So
besitzt beispielsweise Wasser und Kohlendioxid bei Temperatur des
flüssigen Stickstoffs (LN2 (77 K)) einen Dampfdruck < 10-6 mbar, wobei
Methan, Argon, Sauerstoff und Stickstoff diesen Wert erst bei ≈ 20 K
erreichen, welches der Temperatur von flüssigem Wasserstoff (LH 2)
entspricht. Beim Projekt W7-X wird mit LHe (flüssiges Helium) gekühlt, so
erreichen auch Neon, Deuterium und Wasserstoff Werte < 10 -6 mbar. Da der
Dampfdruck und somit der Umgebungsdruck abnimmt, können die
Vakuumpumpen einen niedrigeren Enddruck erreichen.17 Man spricht in
16
Vgl. [Pup91], S.93.
17
Vakuumbegriffe siehe Punkt 3.1.
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diesem Fall auch von einer Wechselwirkung zwischen Vakuum und
Kryotechnik.
2.3
Aufgaben des Pumpsystems
Es werden fünf baugleiche Pumpstände in etwa gleichen Abständen um den
Torus
angeordnet.
Das
Pumpsystem
dient
zur
Erzeugung
und
Aufrechterhaltung des Kryovakuums, damit die supraleitenden Komponenten
thermisch isoliert werden. Zur Erzeugung des Vakuums sollen die fünf
Pumpstände als Verbund evakuieren. Während zur Aufrechterhaltung des
Vakuums möglichst mit drei Pumpständen und gesenkter Drehzahl der
Turbomolekularpumpen (TMP) gearbeitet werden soll.
Wie im Punkt 2.2 beschrieben wurde, werden durch die Kryotechnik die
relevanten Gase gebunden und die Güte des Vakuums erhöht. Werden alle
Teilchen an den kalten Flächen gebunden, kann das Saugvermögen den
theoretisch möglichen Maximalwert erreichen. Das Helium, welches im Falle
eines Lecks austreten kann, wird von den Pumpen weggefördert. Das
Ansteigen des Helium-Partialdrucks18 wird detektiert und gemeldet. Dazu
stehen zwei Massenspektrometer (MS) zur Verfügung. Werden die kalten
Flächen
erwärmt,
sind
die
Pumpstände
dafür
verantwortlich,
die
freiwerdenden Gase wegzufördern. Für diesen speziellen Fall muss in die
Turbomolekularpumpe Stickstoff (N2) als Sperrgas eingelassen werden.
Darauf wird in Punkt 3.2.1 eingegangen.
Der Kryostat mit seinen kalten Flächen (Spulen und Haltevorrichtungen) wird
in Zusammenhang mit dem Pumpsystem auch als „Kryopumpe“ bezeichnet.
Durch Bindungsmechanismen wie Kryosorption und Kryotrapping kann die
Effektivität einer Kryopumpe gesteigert werden, jedoch ist dies nicht Aufgabe
der Steuerung des Pumpsystems und wird folglich nicht in dieser Arbeit
behandelt19.
18
Teildruck des Gases im Gasgemisch.
19
dazu siehe [Wut93, S.375].
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11
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3
Grundlagen der Vakuumerzeugung
In diesem Abschnitt werden die Grundlagen der Vakuumtechnik beschrieben,
die dem besseren Verständnis der Arbeitsweise und des Aufbaus der
Pumpstände dienen soll. Dazu gehören Grundbegriffe und die verwendeten
Vakuum-Komponenten die zum Einsatz kommen.
3.1
Grundbegriffe
Druck (Totaldruck) p
Ein geschlossener Raum besitzt ein Volumen V, in welchem sich Gas
befindet, welches auf die Gefäßwand einen Druck p ausübt. Der Druck
beschreibt eine Kraft F bzw. 𝝏F auf einer senkrecht stehenden Fläche A bzw.
𝝏A und wird speziell in dieser Arbeit in mbar angegeben.
𝑝=
|𝐹⃗˔ |
|𝐴|
𝑏𝑧𝑤.
𝜕𝐹
𝑝 = 𝜕𝐴
(3.1)
Partialdruck pi
Jedes Gas in einem Gasgemisch übt einen Teildruck auf die Gefäßwand
aus. Dieser Teildruck wird als Partialdruck pi bezeichnet. Die Summe aller
Partialdrücke ergibt den Totaldruck p.
𝑝 = ∑ 𝑝𝑖
(3.2)
Enddruck pend
Der im Rezipient erreichte niedrigste Druck wird auch Enddruck pend
genannt. Dieser wird durch folgende Faktoren beeinflusst: Dampfdruck des
Drehschieberpumpe20,
Pumpenöls
der
abgegebene
Dämpfe
der
Behälterwände
Sauberkeit
und
der
des
Behälters,
Dichtigkeit
des
Rezipienten.
Differenzdruck
Als Differenzdruck wird ein Druckunterschied zwischen beiden Seiten eines
Schiebers bzw. eines Ventils in dieser Arbeit bezeichnet.
20
Siehe 3.2.1.
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12
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Dampfdruck pD
Beschreibt den Partialdruck einer Flüssigkeit in der Gasphase.
Sättigungsdampfdruck pS
Die Dampf- und die Gasförmige Phase eines Stoffes befinden sich im
„Gleichgewicht“. Das bedeutet, dass im selben Zeitintervall gleich viele
Moleküle verdampfen wie kondensieren. Der Sättigungsdampfruck ist von
der Stoffart und Temperatur abgängig.
Umgebungsdruck pamb
Auch als Atmosphärendruck (absolut) oder allgemeiner Luftdruck bekannt.
Dieser ist abhängig von der Höhenlage und misst ≈ 1013 mbar auf Höhe des
Meeresspiegels.
Vakuum
Ein
Vakuum
beschreibt
einen
weitestgehend
luftleeren
Raum.
Für
unterschiedliche Druckbereiche unterteilt man das Vakuum anhand der
Qualität. Diese Bereiche werden durch Änderung des Strömungsverhaltens
der Gase begründet, darauf soll hier allerdings nicht weiter eingegangen
werden.
Vakuumbereich
Druck in mbar
Grobvakuum GV
1000 - 1
Feinvakuum FV
1 - 10-3
Hochvakuum HV
10-3 - 10-7
Ultrahochvakuum UHV
10-7 - 10-12
Extreme High Vakuum XHV
< 10-12
Tabelle 3:
Unterteilung der Vakuumbereiche21
Rezipient
Durch entsprechende Pumpen wird ein Vakuum in einem Gefäß erzeugt.
Dieses Gefäß wird in der Vakuumtechnik als Rezipient bezeichnet.
21
Vgl. [Pup91, S.31].
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Leckrate qL
Wird
in
mbar*l*s-1
angegeben
und
entspricht
der
Größe
eines
unerwünschten Gasstromes durch ein Leck.
Saugvermögen
Das Saugvermögen S beschreibt das „abgesaugte“ Gasvolumen in einem
Zeitintervall durch eine Pumpe bzw. ein Pumpsystem. Üblich ist die Angabe
in l/s, allerdings verwendet man bei Verdrängerpumpen eher m3/h.
𝑆=
3.2
𝜕𝑉
(3.3)
𝜕𝑡
Verwendete Vakuumkomponenten
Bevor der Aufbau in Abschnitt 4 erläutert wird, werden zuvor die
Vakuumkomponenten genannt und kurz beschrieben.
3.2.1 Vakuumpumpen
Das Vakuum soll über fünf drei-stufige Pumpstände bereitgestellt werden.
Für das Vorvakuum sind Drehschieber- (DSP) und Wälzkolbenpumpen, auch
als
Rootspumpen
Vorvakuumsystem
(RP)
werden
bekannt,
vorgesehen.
Turbomolekularpumpen
Ergänzend
zum
(TMP)
den
für
Hochvakuumbereich eingesetzt. Jeder Pumpentyp besitzt eine spezielle
Verdichtungsweise und vom Hersteller angegebene Arbeitsbereiche. [Oer09]
Drehschieberpumpe (DSP)
Die DSP gehört zur Gruppe der ölgedichteten Rotations-Verdrängerpumpen.
Der Rotor wird mit dem Öl geschmiert und gekühlt (Abführen der
Kompressionswärme). Gleichzeitig dient es als Dichtmittel zwischen Rotor
und Pumpenring. DSP sind als ein- und zweistufige Ausführung erhältlich.
Mit der zweistufigen Variante sind durch die Reihenschaltung zweier
Pumpstufen niedrigere Enddrücke möglich. Drehschieberpumpen sind robust
gegen Druckstöße und selbst für den dauerhaften Betrieb bei 1000 mbar
geeignet. Das Saugvermögen dieser Pumpen nimmt ab 10 -1 mbar stark ab
und strebt im Hochvakuumbereich bereits gegen 0 m3/h. Trotz dieser
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14
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Eigenschaft wird die DSP beginnend von Atmosphärendruck bis zum
Enddruck durchgängig betrieben. In Abbildung 4 wird die prinzipielle
Wirkungsweise einer ein- und zweistufigen DSP dargestellt.
1. Pumpenzylinder, 2. Kompressionsraum, 3. Rotor, 4. Schieber, 5. Gasballastbohrung,
6. Auspuff, 7. Ventil, 8. Ölstand, 9. Vakuumanschluss, 10. Verbindungskanal
Funktionsprinzip von Drehschiebervakuumpumpen22
Abbildung 4:
Rootspumpe (RP)
Im
Grob-
und
Feinvakuumbereich
wird
zur
Vergrößerung
des
Saugvermögens eine Wälzkolbenvakuumpumpe eingesetzt. Im Gegensatz
zur DSP benötigt diese Verdrängerpumpe kein Schmiermittel und stellt somit
eine ideale, trocken arbeitende Vakuumpumpe dar.
Die Kompression entsteht durch zwei gegenläufige Wälzkolben, welche im
Schöpfraum das Gas verdichten, ohne das Gehäuse bzw. sich gegenseitig
zu berühren. Im Druckbereich von 50 bis 10-3 mbar besitzt die Rootspumpe
ein hohes Kompressionsverhältnis in Kombination mit einem großen
Saugvermögen. Geplant wird mit Rootspumpen in einer Größenordnung von
≈ 500 m3/h. Damit es nicht zu einer thermischen Überlastung kommen kann,
muss
ein
Differenzdruck
größer
20 mbar
zwischen
Ansaug-
und
Auslassanschluss vermieden werden. Ein Sperrgasanschluss ermöglicht das
Einleiten
eines
Inertgases23
(Sperrgas).
Das
charakteristische
Kennlinienverhalten, wie in der Abbildung zu erkennen, ist für alle
Pumpengrößen identisch. Das Saugvermögen ist bei einem Druck von
10-3 mbar
vernachlässigbar
gering
und
stellt
somit
22
Vgl. [Pfe02], S.4.
23
verhindert das Binden von korrosiven Gasen mit den metallischen Oberflächen.
die
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15
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Ausschaltdruckschwelle dar. Der mögliche Einschaltdruck variiert allerdings
zwischen den angegebenen Pumpen von 23 mbar bis 100 mbar. Für die
Rootspumpen wurde also ein Arbeitsbereich von 10 - 10-3 mbar festgelegt.
Abbildung 5:
Saugvermögenskurven der RUVAC WS/WSU, 50 Hz24
Turbo-Molekularpumpe (TMP)
Für den Hochvakuumbereich kommt dieser Typ zum Einsatz. Anders als bei
den vorher genannten Pumpen, rotieren bei der TMP Scheiben mit schrägen
Kanälen ähnlich einer Turbine. Im Stator sind fest stehende Scheiben
spiegelbildlich zu den Rotorscheiben angeordnet. Dabei stellt jedes
entgegengesetzte Scheibenpaar eine Pumpstufe dar. [Pfe03]
Die Teilchen werden durch gerichtete Impulse des Rotors und des Stators
vom Ansaugflansch in den Auslassbereich geleitet. Wie bei der DSP
unterscheidet man auch hier zwischen ein- und zweistufigen Pumpen. In
24
Vgl. [Oer09], S.C07.29.
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16
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Abbildung 6 wird eine zweistufige TMP nach dem Prinzip des Erfinders
Dr. W. Becker dargestellt. [Pfe03,S.8]
Abbildung 6:
Schema einer Turbomolekularpumpe nach Dr. W. Becker.25
Die Nenndrehzahl dieser Pumpen liegt, je nach Typ und Größe zwischen
10.000 und 100.000 U/min. Über einen elektronischen Frequenzwandler wird
die Turbomolekularpumpe angesteuert. Spezielle Controller beinhalten den
Frequenzwandler, die Drehzahlregelung und das Temperaturmanagement
für diese Pumpen. Die Schnittstelle zwischen dem Antriebsgerät und dem PC
soll mittels Profibus DP (Dezentrale Peripherie) realisiert werden. Mit den
Controllern wird eine Vielzahl an Funktionen möglich, z.B. kann der
Betriebsstundenzähler ausgelesen und für ein Wartungsintervall genutzt
werden. Intern erfolgt beispielsweise eine Temperaturüberwachung, welche
bei Überhitzung die TMP abschaltet und eine Fehlermeldung generiert. Da
sich diese Pumpen nahe am Magnetfeld des W 7-X befinden werden, wird in
den rotierenden Teilen (Rotor) eine Spannung induziert, welche zu
Wirbelströmen führt und den Rotor zusätzlich erwärmt. Aus diesem Grund
und der Minderung des Verschleißes werden diese Pumpen nach Erreichen
des Enddrucks im Kryostat zwischen 70% - 100% der maximalen Drehzahl
einstellbar sein. Aufgrund des Magnetfelds muss auch auf magnetische
Rotor-Lagerung verzichtet werden und TMP’s mit mechanischer Lagerung
gewählt werden.
25
Vgl. [Pfe03], S.8.
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17
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Beim Pumpen von korrosiven Gasen wie Wasserdampf, muss der
Motorraum und die Lager geschützt werden. Über ein Sperrgasventil an der
TMP wird ein Inertgas (Sperrgas) eingelassen und zusammen mit dem
korrosiven Gas über die Vorpumpe(n) abgepumpt. Stickstoff ist als Sperrgas
vorgesehen. [Pfe03, S.13]
Am Experiment sollen zweistufige TMP’s mit einem Saugvermögen von
≈ 2000 l/s zum Einsatz kommen. Für die Festlegung des Arbeitsbereichs
dient die „TPH 1801“ der Firma Pfeiffer Vacuum zur Veranschaulichung.
Ähnlich wie bei Rootspumpen ist der charakteristische Kennlinienverlauf für
alle Pumpengrößen eines Typs nahezu identisch.
Abbildung 7:
Saugvermögenskurven der TPH 180126
Der Einschaltdruck wurde auf 0,01 mbar festgelegt. Wird der HeliumPartialdruck von 10-5 mbar erreicht, kann die Drehzahl vom Bediener
festgelegt werden. Die Verriegelung der TMP’s soll bei 0,1 mbar aktiv
werden. Damit wurden alle wichtigen Schwellenwerte definiert.
3.2.2 Drucksensoren
Für die Druckmessung steht eine große Anzahl an Messprinzipien zur
Auswahl. Von Bedeutung ist ein möglichst großer Messbereich von
26
Eine Turbomolekularpumpe von Pfeiffer Vacuum GmbH.
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18
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Atmosphärendruck
bis
in
den
UHV-Bereich
und
möglichst
keine
Messabweichung durch das Magnetfeld des W7-X. Im Grob- und
Feinvakuum
setzt
man
auf
das
Messprinzip
nach
Pirani.
Dieses
Wärmeleitungs-Vakuummeter nutzt die physikalischen Erkenntnisse, dass
die Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einem Druck größer 1 mbar
unabhängig- und kleiner 1 mbar proportional Abhängig vom Druck ist. Der
Messbereich wird von 5*10-4 - 1000 mbar angegeben. Mit PenningVakuummetern wird der HV-Bereich gemessen. Bei diesem „IonisationsVakuummeter mit kalter Kathode“ wird zwischen den beiden Elektroden
(Anode und Kathode) eine kalte Entladung gezündet und die erzeugten
Elektronen
werden
durch
überlagerte
elektrische-
und
magnetische
Kraftlinien auf eine schraubenförmige Bahn gezwungen. Durch Kollision der
Restgasmoleküle mit den Elektronen ionisiert das Gas und wandert zur
Kathode. Dort wird ein druckabhängiger Entladungsstrom gemessen und in
einen Druckwert umgerechnet. Angegeben wird ein Druckbereich von 10-9
bis 10-2 mbar.
Kombinierte Penning-Pirani-Vakuummeter (PPV) sind gasartabhängige
Transmitter. In den Datenblättern sind die entsprechenden Koeffizienten für
die Gase zu finden und müssen in der SPS hinterlegt sein. Der Bediener
muss die Gasart auswählen, der Wert wird dann mit dem entsprechenden
Koeffizienten multipliziert und der tatsächliche Druck ergibt sich daraus. Die
Transmitter werden über ein Kombimessgerät angesteuert. Das Auslesen
der Messwerte, Einstellungen und Parametrierungen sollen über Profibus DP
erfolgen.
Wegen einer gewissen Redundanz werden im Kryostat fünf Sensoren
installiert.
3.2.3 Schieber und Ventile
Schieber werden im Hoch- bzw. Ultrahoch-Vakuumbereich eingesetzt.
Vorzugsweise als Schleusen oder auch direkt vor der TMP. In diesem
Konzept sperren Balgzugschieber mit Vitondichtung das Kryostat-Vakuum
elektropneumatisch von den Pumpständen ab. Direkt vor den TMP’s wird
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19
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aufgrund der Entfernung ein weiterer Balgzugschieber (vitongedichtet)
eingesetzt. Über Lagemelderschalter wird die Stellung an die Steuerung
übergeben. Der Hersteller gibt einen maximalen Differenzdruck beim Öffnen
von
≤ 30
mbar
vor.
[Oer09]
.Die
Eckventile
werden
ebenfalls
elektropneumatisch angesteuert und benötigen auch eine elektrische
Stellungsanzeige. Für den stromlosen Zustand müssen diese Elemente aus
Sicherheitsgründen geschlossen sein.
4
Aufbau der Pumpstände
4.1
Anlagen- und Verfahrensbeschreibung
Die fünf Pumpstände werden redundant aufgebaut. Sie setzen sich aus
einem Vor- und einem Hoch-Vakuumsystem zusammen. Am Kryostat
werden zwei Quadrupol-Massenspektrometer (QMS) eine Gasanalyse
Hoch-Vakuumsystem
vornehmen. Der geplante Aufbau ist in Abbildung 8 dargestellt.
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20
Vor-Vakuumsystem
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Abbildung 8:
Prinzipieller Aufbau der Pumpstände
Kennzeichnung
Symbol
Element
KAx11; KAx01
Balgzugschieber (vitongedichtet)
KAx02; KAx03; KAx04;
Eckventil
KAx05; KAx06; KAx07
KAx08; KAx09
Dosierventil
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21
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KPx01
Turbomolekularpumpe
KPx02
Rootspumpe
KPx03
Drehschieberpumpe
Fx1
Ölabscheidefilter
QDx01; QDx02; QDx03;
Vakuummeter
QDx04; QDx05; QDx11
DM0n
Tabelle 4:
Quadrupol-Massenspektrometer
Legende der Bauelemente
In der Kennzeichnung steht das x für den jeweiligen Pumpstand (1,2, ..., 5).
Die Laufvariable n kann die Werte 1 und 2
Massenspektrometer,
die
am
Kryostat
annehmen, für die beiden
zum
Einsatz
kommen.
Ihre
Auswertung erfolgt über die übergeordnete Prozessteuerung und wurde nur
zu anschaulichen Zwecken in die Abbildung aufgenommen.
Die vollständige Bezeichnung der Elemente erfolgt aus der Festlegung des
Aggregateschlüssels27 im IPP. Demnach wäre in der folgerichtigen
Kennzeichnung eines jeden Elements
ein AG
voranzustellen (Bsp.:
AG-KA111 für den Hauptschieber des ersten Pumpstands).
Für jedes abzusperrende Volumen ist eine Druckmessung vorgesehen. Die
Ablaufsteuerung
benötigt
diese
Werte
für
die
Einhaltung
der
Betriebsbedingungen. Dazu gehören die Arbeitsbereiche der Pumpen, das
Umschalten der Bypässe und das Einhalten der max. Differenzdrücke der
Schieber beim Öffnen. Mit der DSP und den Bypässen wird der
Vorvakuumdruck für die RP und TMP bereitgestellt. Beim Anpumpen fällt
27
Aggregateschlüssel im Anhang.
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22
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eine große Gaslast an, deshalb wirkt die RP hier unterstützend. Die TMP
wird über einen elektronischen Frequenzwandler (Controller) angesteuert.
Dieser Frequenzwandler ermöglicht die Drehzahlregelung. Des Weiteren
kann
die
TMP
ausgeheizt,
Rückmeldungen
abgefragt
und
die
Rotortemperatur ausgelesen werden. Wobei die Funktion des Ausheizens
wahrscheinlich nicht genutzt werden soll. Im Fehlerfall meldet der Controller
den Fehler und kann dementsprechend signalisiert werden.
Die Penning-Pirani-Vakuummeter (PPV) kommunizieren mit der SPS mittels
Kombinationsmessgeräte und Profibus DP. Die Messgeräte besitzen bis zu
drei
Messkanäle.
Eventuell
werden
auch
Sensoren
mit
Profibus DP-Schnittstelle gekauft, diese kommunizieren direkt mit der SPS.
Die Auswertung erfolgt jede Sekunde und alle 10 s werden die Werte
gespeichert. Für den Kryostat sind fünf PPV geplant. Im Kryostat soll der
Druck über eine Mittelwertbildung bestimmt werden, allerdings sollen die
beiden am stärksten abweichenden Werte nicht für die Ermittlung
berücksichtigt werden. Sollte ein Sensor dauerhaft starke Abweichungen
aufweisen, soll eine Fehlermeldung darauf aufmerksam machen. Der Druck
im Kryostat und in jedem Pumpstand (QDx01) soll zusätzlich als Druckkurve
aufgenommen werden. Mit QDx11 und QDx01 sowie QDx01 und QDx02
werden Differenzdrücke gebildet. Diese werden für die Balgzugschieber
benötigt.
Korrosive Gase, wie Wasserdampf müssen vom Getrieberaum der RP und
dem Rotor sowie den Lagern der TMP ferngehalten werden. Dazu wird ein
definierter Gasstrom über ein Dosierventil am jeweiligen Sperrgasanschluss
eingeleitet. Dieser Vorgang erfolgt nur, wenn diese Pumpen auch tatsächlich
gefährdet sind, sprich der Hauptschieber KAx11 ist geöffnet, die Pumpen
laufen oder ihre Absperrventile28 sind geöffnet. Die Detektion von korrosiven
Gasen erfolgt durch die beiden QMS.
28
Ventile vor und hinter der RP und TMP, wobei vor der TMP ein Schieber absperrt.
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Mit den Flutventilen KAx07 werden die Pumpstände belüftet29 und die TMP’s
durch gepulsten Betrieb der Ventile30 schonend gebremst.
In Abbildung 9 wird das Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (RI-Fließbild)
dargestellt:
Abbildung 9:
RI-Fließbild eines Pumpstandes
Die graphischen Symbole und Kennbuchstaben wurden aus der Norm
DIN 19 227 Teil1 [Nor93] entnommen:
29
Einlassen eines trockenen Gases (N2) bis Atmosphärendruck.
30
Beschreibung unter Punkt 5.2.1.
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24
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Erstbuchstabe
Folgebuchstabe
Bedeutung
C
selbsttätige Regelung
D
Differenz
Stellung
I
Anzeige
O
Sichtzeichen, Ja/Nein-Anzeige
Druck
Stoffeigenschaft, Qualitätsgrößen,
Analyse
R
Registrierung
Drehzahl, Frequenz
S
Schaltung, Ablaufsteuerung,
Verknüpfungssteuerung
Temperatur
G
P
Q
S
T
Symbol
±
Tabelle 5:
Bedeutung
oberer und unterer Grenzwert
Ausgabe und Bedienung in der
Prozessleitwarte (Prozessteuerung)
Ausgabe und Bedienung im
örtlichen Leitstand
(für Hand-Betrieb)
Kennbuchstaben und Symbolik nach DIN 19227 Teil 1
Die Nummerierung wurde frei gewählt. Anhand der Abbildung 9 lässt sich
entnehmen, welche Signale dem Pumpstand und welche der übergeordneten
Prozesssteuerung (siehe Abschnitt 6) zugeordnet werden.
4.2
Anordnung in der Torushalle
Der Torus des W7-X ist aus fünf Modulen zusammengesetzt. Die
Hauptschieber als Hardwareschnittstellen zum Kryostat werden an den
folgenden Pumpstutzen (Port-Pumps) angeflanscht:
Pumpstand
1
2
3
4
5
Modul und Port
1-mx1
2-mx1
3-mx1
5-mx0
5-mx1
Tabelle 6:
Zuordnung der Pumpstände zu den Modulen und Ports 31
Die Stutzen sind nicht exakt symmetrisch um den Torus angeordnet. Diese
Unsymmetrie spielt bei der Aufgabenverteilung (Verteilung der Zustände im
31
zur Veranschaulichung, Abbildung im Anhang unter Position der Stutzen und TMP’s.
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Betrieb des W7-X) mit drei fördernden Pumpständen in Punkt 6.2.4 eine
Rolle.
Ein ca. 3 m langes Rohr führt vom Schieber AG-KAx11 zu AG-KAx01. Direkt
dahinter wird die TMP angeflanscht. Durch diesen geringen Abstand zu dem
Magnetfeld der Spulen, entstehen Wirbelströme im Rotor der TMP’s. Um
diesen Effekt zu mindern, wird die Drehzahl im Betrieb des Experiments
gesenkt.
AG-KAx11
AG-KAx01
AG-KPx01
(TMP)
x – 1…5, für den jeweiligen Pumpstand
Abbildung 10:
32
Position der TMP’s in der Torushalle32
Stand: September 2011.
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Aufgrund des begrenzten Bauraums und des stationären Magnetfeldes
werden
die
Vorvakuumsysteme
entfernt
vom
Torus
aufgestellt.
In
Abbildung 11 sind die Standorte rot und durch Pfeile kenntlich gemacht.
Abbildung 11:
4.3
Position der Vor-Vakuumsysteme in der Torushalle33
Hardware zur Ansteuerung und Visualisierung
Nachdem der Aufbau und Aufstellungsort der Pumpstände beschrieben
wurde, folgt nun eine Übersicht der Steuerung zur Ansteuerung der Aktoren
und Sensoren. In Punkt 7.1 wird speziell der hierarchische Aufbau- und die
Hardware der Steuerung erläutert.
In der Nähe der Aktoren und Sensoren wird eine Dezentrale Peripherie
eingebaut. So können die Signale über Profibus DP übertragen werden und
man benötigt nur noch ein Kabel bis zur SPS. Eine S7 400 pro Pumpstand
33
Stand: September 2011.
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27
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Abbildung 12:
mit
Übersicht zur Ansteuerung der Aktoren und Sensoren
entsprechenden
Kommunikationsprozessoren
verarbeitet
alle
ankommenden und ausgehenden Signale.
Im nächsten Abschnitt wird auf die Zustände und Abläufe eines einzelnen
Pumpstands eingegangen. Außerdem werden die Bedienmöglichkeiten
besprochen, die in der obigen Abbildung bereits abgebildet sind. Dazu gehört
auch in welcher Form sie bedient werden können (Betriebsarten).
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28
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5
Funktionsbeschreibung der Pumpstände
Die Pumpstände sind mit ihren SPS’en als Slaves der Prozesssteuerung mit
der
Master-SPS
untergeordnet.
In
diesem
Abschnitt
wird
deshalb
ausschließlich über die Steuerung der Slaves gesprochen und in Kapitel 6
wird der Master behandelt.
Nachdem zuvor der Aufbau der Pumpstände besprochen wurde, soll in
diesem Abschnitt die Funktionsweise beschrieben werden, z.B. wie die
Erzeugung des Vakuums realisiert werden soll.
5.1
Bedienung und Betriebsarten
Bevor auf die Steuerung der einzelnen Komponenten eingegangen wird,
müssen zuvor Überlegungen zu den Betriebsarten und der Bedienung
getroffen werden.
Bedienung:
Die Bedienung kann von zwei Positionen erfolgen. Ursprünglich war geplant,
vor Ort Operatorpanels einzusetzen. Da diese zu kostenintensiv sind, soll die
Bedienung mit einem Laptop übers Ethernet vorgenommen werden. Die
zweite Bedienmöglichkeit soll mit einem Rechner in der Prozessleitwarte
realisiert
werden.
Ein
Schlüsselschalter
soll
dort
die
Umschaltung
ermöglichen und gewährt gleichzeitig die Bedienung ausschließlich von
einem Standort.
Betriebsarten:
Der
Bediener
hat
die
Möglichkeit
zwischen
autonomen-
und
untergeordneten Betrieb zu wählen. So kann man jeden Pumpstand einzeln
bedienen
(autonom)
oder
man
wählt
einen
Zustand
an
und
die
Prozessteuerung (untergeordnet, Steuerung durch den Master) weist jedem
Pumpstand seine Aufgabe zu.
Im autonomen Betrieb kann zusätzlich zwischen Automatik- und Handbetrieb
gewechselt werden. Beim Handbetrieb wird jedes Element separat
geschalten und der Bediener wird nicht von der Automatik (Ablaufsteuerung)
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29
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unterstützt. Dabei gelten dieselben Verriegelungsbedingungen, unerlaubte
Schalthandlungen sind also nicht möglich.
5.2
Zustände der Pumpstände
In den folgenden Abschnitten werden die Zustände und Abläufe beschrieben.
Für ein besseres Verständnis ist auf der letzten Seite im Anhang eine
ausklappbare A3 Seite mit dem Aufbau zu finden. Beim Lesen der folgenden
Punkte ist diese von Nutzen.
5.2.1 Aus
Alle
Schieber
und
Ventile
sind
geschlossen
sowie
die
Pumpen
ausgeschaltet. Die Leitungen sind belüftet (1000 mbar). Der Druck im
Kryostat ist dabei nicht von Bedeutung. Bei der Initialisierung wird dieser
Zustand als Ausgangspunkt festgelegt.
Wird
der
Zustand
angefahren,
werden
folgende
Schalthandlungen
ausgeführt: Sämtliche Schieber/Ventile werden geschlossen und die Pumpen
ausgeschaltet. Die TMP würde ohne Bremsvorgang noch lange rotieren. Aus
diesem Grund wird sie durch Einlassen von Stickstoff in das entsprechende
Ventil (KAx07) mechanisch gebremst. Um diesen Vorgang schonend für die
TMP zu gestalten, muss das Ventil gepulst betrieben werden. Durch Tests im
Labor wurde eine sinnvolle Taktung von 1s zu 5s ermittelt, wobei das Ventil
KAx07 für 1s geöffnet und für 5s geschlossen ist. Diese Werte sollten für das
Projekt bei Bedarf angepasst werden. Meldet der Controller (der TMP)
„Stillstand“ wird der Belüftungsvorgang des Pumpstands eingeleitet. Dazu
werden der Hauptpass und der Bypass geöffnet und über KAx07 belüftet.
Der
Hauptschieber
(KAx11)
bleibt
dabei
geschlossen.
Melden
die
Drucksensoren hinter KAx11 einen Druck von 1000 mbar, können alle
Ventile und der Schieber KAx01 wieder geschlossen werden. Der
Belüftungsvorgang ist somit abgeschlossen.
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5.2.2 Not-Aus
Dieser Zustand wird eingeleitet, sollte der lokale Not-Aus-Taster des
jeweiligen Pumpstands getätigt worden sein oder das zentrale Not-Aus
Signal anliegen.
Die aktiven Pumpen und geöffneten Ventile/Schieber werden unverzüglich
ausgeschaltet bzw. geschlossen. Einzig die TMP rotiert für eine gewisse Zeit
weiter. Der Pumpstand verharrt solange in diesem Zustand, bis das Signal
erlischt und vom Anwender oder der übergeordneten Prozesssteuerung neue
Befehle erhält.
5.2.3 Hochvakuum
Hauptaufgabe dieses Zustands wird es sein, das Vakuum über den
dreistufigen Pumpstand bereitzustellen und aufrecht zu erhalten. Dabei sind
die Arbeitsbereiche der Pumpen zu beachten.
Als Wartungsfunktion soll während des Betriebes jeweils ein Timer die
Betriebsstunden des Pumpstands aufzeichnen. Aus den Herstellerangaben
der Pumpen ist die Laufzeit zu entnehmen und nach Ablauf der Zeit soll die
nötige Wartung als Meldung erscheinen.
Der Ablauf zur Bereitstellung des Vakuums ist wie folgt geplant:
Entscheidend für das Öffnen des Schiebers KAx11 ist der max. zulässige
Differenzdruck von ≤ 30 mbar. Sollte dieser Wert zu Beginn des Vorgangs
unzulässig sein, muss erst gegen den geschlossen Schieber (KAx11)
evakuiert werden. Je nach Druck im Kryostat wird unterschiedlich verfahren.
Dafür wurden vier Druckbereiche definiert und jeweils ein Ablaufschema
erstellt. Diese Abläufe sind in der Zustandstabelle unter Punkt 5.4, in den
Ablaufdiagrammen in Punkt 5.5 und im Anhang nachzuvollziehen.
Im Normalfall wird der Bypass (KAx03/KAx06) und der Hauptschieber
(KAx11) geöffnet sowie die Drehschieberpumpe (KPx03) eingeschaltet. Ab
einem Druck kleiner 10 mbar (QDx05) wird KAx06 geschlossen und
KAx04/KAx05 geöffnet sowie die Rootspumpe (KPx02) eingeschaltet. Wird
der Einschaltdruck der Turbomolekularpumpe (KPx01) erreicht (QDx03 misst
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31
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p < 0,01 mbar) kann KAx02 geöffnet werden. Ergibt die Druckmessung
von QDx02 einen Wert kleiner dem Schwellenwert von 0,01 mbar wird
KAx01 geöffnet, KAx03 geschlossen und die
Turbomolekularpumpe
eingeschaltet. Die dreistufige Kombination arbeitet bis zu einem Druck von
10-03 mbar, anschließend wird die Rootspumpe ausgeschaltet und KAx06
geöffnet. Nachdem die Turbomolekularpumpe ihre Nenndrehzahl erreicht
hat, die Hochvakuumdruckschwelle von 10-05 mbar unterschritten ist und
diese Konfiguration fehlerfrei erreicht wurde, ist der Pumpstand im
Endzustand „Hochvakuum“. Nun soll die Drehzahl der Turbomolekularpumpe durch den Controller variabel zwischen Leerlaufdrehzahl und
Nenndrehzahl einstellbar sein. Dadurch kann die Drehzahleinstellung vom
Anwender oder der Prozesssteuerung vorgenommen werden. KAx07 ist
während des gesamten Vorgangs verriegelt.
Steigt der Druck über einen Wert von 0,01 mbar wird die RP wieder
zugeschaltet. Sollte der Druck weiter steigen, z.B. durch ein Leck, wird ab
0,1 mbar die TMP und ab 30 mbar die RP abgeschaltet. Anschließend fördert
nur noch die DSP bis zum Abschaltsignal.
Registriert
ein
Quadrupol-Massenspektrometer
z.B.
eine
erhöhte
Konzentration Wasserdampf, muss bis zum Erlöschen des Signals für alle
zugeschalteten Pumpstände folgendes gelten: Läuft die TMP, dann öffne
KAx08; läuft die RP, dann öffne KAx09. Da die Werte der QMS von der
übergeordneten Prozesssteuerung erfasst werden, muss dieses Signal für
die Slaves generiert werden.
5.2.4 Stand By
Der Ablauf ist annähernd identisch mit dem des Zustands „Hochvakuum“.
Lediglich der Schieber KAx11 bleibt dauerhaft geschlossen. So muss der
Druck im Kryostat erst berücksichtigt werden, sobald zwischen „Stand By“
und „Hochvakuum“ umgeschaltet wird. Dies ist der Fall, sollte während des
Betriebes
ein
Pumpstand
zugeschaltet
werden.
Eine
spezielle
Fallunterscheidung leitet notwendige Schritte ein. Diese Abläufe sind
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ebenfalls in der Zustandstabelle unter Punkt 5.4, in den Ablaufdiagrammen
unter Punkt 5.5 und im Anhang nachzuvollziehen.
Das Einleiten des Inertgases findet für diesen Zustand keine Anwendung.
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5.3
Zustandsübergänge
Aus
Stand By
Hochvakuum
Not-Aus
Übergang erlaubt nach Anwahl
Übergang Druckabhängig nach Anwahl
Übergang wird über einen anderen Zustand angefahren nach Anwahl
Zustand
Jeder Zustand besitzt individuelle Bedingungen (Endzustand)
Abbildung 13:
Zustandsgraph eines Pumpstands
Jedes Kästchen beinhaltet einen Zustand den ein Pumpstand anfahren kann
bzw. aktuell besitzt. Durch Einhalten der in Punkt 5.4 dargestellten sowie in
Punkt 5.2 beschriebenen Schalthandlungen im Automatik- und Handbetrieb
kann eine Zustandsänderung vollzogen werden.
Im
Diagramm
stehen
die
schwarz
durchgängig
gekennzeichneten
Zustandsübergange dafür, dass es ausschließlich einen festen Ablauf betrifft
und keine Fallunterscheidung vorgenommen wird.
Die
gestrichelt
gekennzeichneten
Übergänge
weisen
auf
eine
Fallunterscheidung hin. Wobei die Auswahl des Ablaufs von dem Druck im
Kryostat beeinflusst wird. Beim Übergang von „Hochvakuum“ nach „Aus“ wird
vorerst „Stand By“ angefahren und danach weitere Schritte eingeleitet.
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5.4
Zeile
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
34
Zustandstabelle
Zustände/Übergänge
Aus
Not-Aus
HV
Stand-By
1. Fall Aus → HV
Aus → HV 1.1
Aus → HV 1.2
Aus → HV 1.3
Aus → HV 1.4
Aus → HV 1.5
Aus → HV 1.6
Aus → HV 1.7 (Endz.)
2. Fall Aus → HV
Aus → HV 2.1
Aus → HV 2.2 (dann Zeile 7)
3. Fall Aus → HV
Aus → HV 3.1
Aus → HV 3.2
Aus → HV 3.3
Aus → HV 3.4 (dann Zeile 9)
4. Fall Aus → HV
Aus → HV 4.1
Aus → HV 4.2
Aus → HV 4.3
Aus → HV 4.4.1.1 (dann Zeile 9)
Aus → HV 4.4.2.1
Aus → HV 4.4.2.2
Aus → HV 4.4.2.3 (dann Zeile 11)
Aus → Stand By 1.1
Aus → Stand By 1.2
Aus → Stand By 1.3
Aus → Stand By 1.4
Aus → Stand By 1.5
Aus → Stand By 1.6
Aus → Stand By 1.7 (Endz.)
Stand By → Aus 1.1
Stand By → Aus 1.2
Stand By → Aus 1.3
Stand By → Aus 1.4
Stand By → Aus 1.5 (Endz.)
1. Fall Stand By → HV
Stand By → HV 1.1
Stand By → HV 1.2
Stand By → HV 1.3
Stand By → HV 1.4 (dann Zeile 7)
2. Fall Stand By → HV
Stand By → HV 2.1
Stand By → HV 2.2
Stand By → HV 2.3 (dann Zeile 8)
3. Fall Stand By → HV
Stand By → HV 3.1
Stand By → HV 3.2
Stand By → HV 3.3 (dann Zeile 9)
4. Fall Stand By → HV
Stand By → HV 4.1 (dann Zeile 12)
HV → Stand By
HV → Aus (dann Zeile 36)
Alle Zustände → Not-Aus
Druckanstieg im Zustand HV 1.1
Druckanstieg im Zustand HV 1.2
Druckanstieg im Zustand HV 1.3
Druckanstieg im Zustand HV 1.4
besondere Bedeutung
einschalten falls korrosive Gase
Priorität (Reihenfolge)
Zustandswechsel
ausschlaggebender Druck
Endz. = Endzustand
Tabelle 7:
Schieber
KAx11 KAx01
zu
zu
zu
zu
offen
offen
zu
offen
zu
zu
offen
zu
offen
zu
offen
zu
offen
zu
offen
offen
offen
offen
offen
offen
zu
zu
zu
zu
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
zu
zu
zu
offen
offen
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
offen
zu
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
zu
zu
offen
zu
zu
zu
offen
offen(2) zu(1)
offen
zu
zu
offen
offen (2) zu (1)
offen
zu
offen
zu
zu
offen
offen (2) zu (1)
offen
zu
offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu
offen
zu
offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu (1)
offen
zu
offen
zu
Eckventile
KAx02 KAx03 KAx04 KAx05 KAx06
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
zu
offen
zu
offen
offen offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
zu
offen
offen
zu
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
zu
offen
zu
offen
zu
zu
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
zu
offen
zu
offen
offen offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
zu
offen
zu
offen
offen offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
zu
offen
offen
zu
offen
zu
offen
offen
zu
zu
offen
zu
zu
offen
zu
offen
offen offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
zu
offen
offen
zu
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen
offen
offen offen
offen
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
offen
offen
offen
offen
offen
offen
zu(1)
offen
zu(1) zu(1)
offen
zu
offen
zu
zu
offen
offen
zu
offen
offen
offen
zu (1) offen (1) offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
zu
offen
zu
offen
offen
offen
zu (1) offen (1) offen
offen
zu (1)
zu
offen
offen
offen
zu
zu
offen
offen
offen
zu
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
offen
zu
offen
offen
offen
zu
zu
zu
zu
zu
offen
zu
offen
offen
zu
zu (1) offen (1) offen
offen
zu
zu
offen
zu (1) zu (1) offen (1)
zu
offen
zu
zu
offen
ABC,123
(1,2,3)
ABC
123
Übersicht der Abläufe und Zustände eines Pumpstands
Gasventil
KAx07
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
pulsen (1s:5s)
zu
offen
zu
zu
pulsen (1s:5s)
offen
offen
zu(1)
zu
pulsen (1s:5s) (2)
offen
zu
zu
pulsen (1s:5s) (2)
offen
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
pulsen (1s:5s) (2)
zu
zu
Dosierventil
KAx08 KAx09
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen(2)
zu
zu(2)
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
zu
offen (2)
zu
zu
QDx11
…
…
< 1,0E-05
…
970 < x < 1000
970 < x < 1000
< 10
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-05
10 < x < 970
10 < x < 970
10 < x < 970
1E-02 < x < 10
1E-02 < x < 10
1E-02 < x < 10
1E-02 < x < 10
1E-02 < x < 10
x < 1E-02
x < 1E-02
x < 1E-02
x < 1E-02
1E-02 < x < 10
x < 1E-02
x < 1E-02
x < 1E-02
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
30 < x < 1000
30 < x < 1000
30 < x < 1000
30 < x < 1000
…
10 < x < 30
10 < x < 30
10 < x < 30
…
1E-02 < x < 10
1E-02 < x < 10
…
…
x < 1E-02
x < 1E-02
…
…
…
> 1,0E-02
> 1,0E-01
> 30
> 30
QDx01
1,0E+03
…
< 1,0E-05
< 1,0E-05
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-05
1,0E+03
1,0E+03
…
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 10
< 10
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 10
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-02
1,0E+03
< 10
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
1,0E+03
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
…
< 1E-05
< 1E-05
…
…
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
> 1,0E-02
> 1,0E-01
> 30
> 30
Drucksensoren
QDx02
QDx03
1,0E+03 1,0E+03
…
…
< 1,0E-05 < 1,0E-05
< 1,0E-05 < 1,0E-05
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03
< 10
1,0E+03
< 10
1,0E+03 < 1E-02
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-03
< 1E-05
< 1E-05
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03
…
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03
< 10
1,0E+03
< 10
1,0E+03
< 10
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03
< 10
1,0E+03
< 10
1,0E+03
< 10
1,0E+03 < 1E-02
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-02
1,0E+03 1,0E+03
1,0E+03
< 10
1,0E+03
< 10
1,0E+03 < 1E-02
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-03
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
…
…
…
1,0E+03 1,0E+03
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
…
1E+03 (1)
…
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
…
< 1E-05
1,0E+03
…
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
…
…
1,0E+03
…
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
…
…
…
> 1,0E-02 > 1,0E-02
> 1,0E-01 > 1,0E-01
1,0E+03
> 30
1,0E+03
> 30
QDx04
1,0E+03
…
< 1,0E-05
< 1,0E-05
1,0E+03
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-05
1,0E+03
1,0E+03
1,0E+03
1,0E+03
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 10
1,0E+03
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-02
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
1,0E+03
< 1E-05
< 1E-05
…
…
1E+03 (2)
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
…
< 1E-05
< 1E-05
…
…
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
> 1,0E-02
> 1,0E-01
> 30
1,0E+03
QDx05
1,0E+03
…
< 1,0E-05
< 1,0E-05
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-05
1,0E+03
1,0E+03
…
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 10
< 10
1,0E+03
1,0E+03
< 10
< 10
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-02
1,0E+03
< 10
< 10
< 1E-02
< 1E-02
< 1E-03
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
1,0E+03
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
< 1E-05
< 1E-05
< 1E-05
…
< 1E-05
< 1E-05
…
…
< 1E-05
< 1E-05
…
…
…
> 1,0E-02
> 1,0E-01
> 30
> 30
Differenzdruck
Pumpen
PD (KAx11)
KPx03 (DSP) KPx02 (RP)
KPx01 (TMP)
…
aus
aus
aus
…
aus
aus
aus
…
an
aus
an (n = variabel)
…
an
aus
an (n = 67%)
≤ 30
aus
aus
aus
…
an
aus
aus
…
an
aus
aus
…
an
an
aus
…
an
an
aus
…
an
an
an
…
an
aus
an
…
an
aus
an (n = variabel)
≥ 30
aus
aus
aus
≥ 30
an
aus
aus
≤ 30
an
aus
aus
≥ 30
aus
aus
aus
≥ 30
an
aus
aus
≥ 30
an
aus
aus
≤ 30
an
an
aus
≤ 0,05
an
an
aus
≥ 30
aus
aus
aus
≥ 30
an
aus
aus
≤ 30
an
aus
aus
≤ 30
an
an
aus
≤ 0,05
an
an
aus
≤ 30
an
an
aus
≤ 30
an
an
an
≤ 0,001
an
an
an
…
an
aus
aus
…
an
aus
aus
…
an
an
aus
…
an
an
aus
…
an
an
an (n = 67%)
…
an
aus
an (n = 67%)
…
an
aus
an (n = 67%)
…
aus
aus
aus (n = …)
…
aus
aus
aus (n = …)
…
aus
aus
aus (n = 0%)
…
aus
aus
aus
…
aus
aus
aus
≥ 30
an
aus
an (n = 67%)
≥ 30
aus
aus
aus (n = …)
≥ 30
aus
aus
aus (n = 0%)
≤ 30
an (2)
aus
aus
…
an
aus
aus
≤ 30
an
aus
an (n = 67%)
≤ 30
an
aus
aus (n = …) (1)
…
an
aus
aus (n = 0%)
…
an
aus
aus
≤ 30
an
aus
an (n = 67%)
≤ 30
an
an (2)
aus (n = …) (1)
…
an
an
aus (n = 0%)
…
an
an
aus
≤ 30
an
aus
an (n = 67%)
≤ 30
an
aus
an (n = 100%)
…
an
aus
an (n = 67%)
…
an
aus
an (n = 67%)
…
aus
aus
aus (n = …)
> 1,0E-02
an
an
an (n = variabel)
> 1,0E-01
an
an
aus (n = …) (1)
> 30
an
aus (1)
aus (n = 0%)
> 30
an
aus
aus
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35
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Die Tabelle beinhaltet alle vorläufig geplanten Abläufe für die Pumpstände.
Rot markierte Werte signalisieren entweder relevante Werte für die
Fallunterscheidung oder signifikante Werte für den Ablauf (z.B. beim
Druckanstieg). Sollten korrosive Gase detektiert werden, kennzeichnen die
gelben Felder das jeweilige Einschalten des entsprechenden Gasventils zum
Einlassen
des
Inertgases.
Mit
Hilfe
dieser
Tabelle
wurden
die
Ablaufdiagramme erstellt.
5.5
Ablaufdiagramm
Mit den Ablaufdiagrammen werden die Schrittketten aus der Tabelle 7
schematisch dargestellt. Projektiert wurden sie mit S7 HighGraph. Die
Aufschlüsselung der Symbolik erfolgt in der folgenden Tabelle.
SIMATIC-Mnemonik34
Erläuterung
?
Bedingung
!
Transitionsaktion
C
zyklische Aktion
U
Abfrage
L
Lade in Akku
=OM
setze Output-Message
IM
Input-Message
<R ; >R; ==R; <=R; >=R
Vergleichsoperator
Tabelle 8:
Legende der Ablaufdiagramme
Die Abläufe sind vereinfacht dargestellt. Fügt man alle Abläufe zusammen,
ergibt sich die gesamte Struktur. Nun soll am Übergang Aus → HV (1. Fall)
ein solches Diagramm erläutert werden. Im Anhang sind die restlichen
Diagramme beigefügt.
34
eine festgelegte Syntax.
Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want
36
to appear here.
Initialisierung: Alle Ventile + Schieber sind
geschlossen, die Pumpen sind aus und hinter
KAx11 herrscht Atmosphärendruck (nur bei
Inbetriebnahme)
Ausgangszustand
Wurde „HV“ angewählt? Dann
prüfe den Druck im Kryostat.
Im
Fall
1 liegt
der Wert
zwischen 1000-970 mbar. Für
diesen
Fall
wird
die
Dann öffne den Schieber (KAx11), die
Ventile (KAx03/x06) und schalte die DSP ein.
Schrittkette abgearbeitet.
Misst QDx05 einen Druck
kleiner
wurden
10
mbar
alle
und
Elemente
geschalten?
Nötiger Vordruck für die
Rootspumpe
wurde
erreicht und der Bypass
Schaltbefehle
umgeschaltet?
Wurde der Vordruck für
die TMP erreicht?
Ab 10-03 mbar soll die
RP ausgeschaltet und
der Bypass mit KAx06
wieder
Rootspumpe
wird
Druckanstieg
bei
geöffnet
werden.
wieder
eingeschaltet
Bedingung
Wird
Endzustand
der Endzustand
erreicht, lässt sich die
Drehzahl variieren.
Endzustand
für
den
Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want
37
to appear here.
Abbildung 14:
5.6
Aus → HV (1. Fall)
Verriegelungen und Störungsmeldungen
Damit vom Anwender (Handbetrieb) sowie von der Automatik keine
unerlaubten
Schalthandlungen
getätigt
werden
können,
müssen
Verriegelungen vorgesehen werden. Sollte eine Verriegelung aktiv werden,
wird eine Meldung dies signalisieren. Die untersagten Schalthandlungen
gelten für die Pumpstände, müssen jedoch auch vom Master übernommen
und somit von der Prozessteuerung registriert werden.
Es gibt zwei Arten von Verriegelungen. Bei der einen Gruppe wird die
gewollte Schalthandlung untersagt und die Steuerung kann nach der
Quittierung normal weiterarbeiten. Bei der 2. Gruppe greift die Verriegelung
aktiv ein, indem sie das Ventil, den Schieber oder die Pumpe ausschaltet
bzw. schließt. Die Steuerung geht in einen definierten Fehlerzustand.
Verriegelungen:

KAx11 ist geöffnet → wird geschlossen
o Wird ein starker Druckanstieg innerhalb des Pumpstandes gemessen
während des „Hochvakuum“ Betriebs in Bezug zum Druck im
Kryostat (QDx11).
Dieser muss im Verhältnis zum Druck im Rezipienten große Unterschiede
aufweisen, so dass ein Leck am Pumpstand vermutet wird.
o Ausfall der DSP.

KAx11 ist geschlossen → kann nicht geöffnet werden
o Der Differenzdruck am Schieber ist ≥ 30 mbar.
Beim Öffnen der Schieber darf der Differenzdruck den geforderten Wert
nicht überschreiten.
o Ausfall der DSP.
o Ausfall der Druckluft.
Signal von der zentralen Steuerung. Gilt für alle Ventile und Schieber!!!

KAx01 ist geöffnet → wird geschlossen
o TMP läuft und DSP ist ausgefallen.
Dafür wird eine DSP mit Rückmeldung benötigt.
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38
to appear here.
o Druck
steigt
über
den
zulässigen
Verriegelungsdruck
(QDx02 > 10-01 mbar); TMP läuft und von der Steuerung liegt kein
Schließbefehl vor.
Bevor der Druck im Kryostat diesen Wert erreicht, sollen bereits vorher
Meldungen einen Druckanstieg signalisieren. Dazu müssen Schwellenwerte
festgelegt werden, bei denen jeweils eine Meldung generiert wird.

KAx01 ist geschlossen → kann nicht geöffnet werden
o Der Differenzdruck am Schieber ist ≥ 30 mbar.
o Ausfall der TMP oder DSP.
o Der
Verriegelungsdruck
(QDx01 > 10-01 mbar).

ist
noch
nicht
unterschritten
KAx02 ist geöffnet → wird geschlossen
o Druck
steigt
über
den
zulässigen
Verriegelungsdruck
-01
(QDx02 > 10 mbar); TMP läuft und von der Steuerung liegt kein
Schließbefehl vor.
TMP wird abgesperrt und somit geschützt.

KAx02 ist geschlossen → kann nicht geöffnet werden
o Ausfall der TMP oder DSP.
o Der
Verriegelungsdruck
(QDx01 > 10-01 mbar).

ist
noch
nicht
unterschritten
KAx03 ist geöffnet → wird geschlossen
o Ist KAx01 und KAx02 geöffnet.
Kann nur im Handbetrieb vorkommen.

KAx04 ist geöffnet → wird geschlossen
o Druck
steigt
über
den
zulässigen
Verriegelungsdruck
(QDx03 > 30 mbar); RP läuft und von der Steuerung liegt kein
Schließbefehl vor.
o Ausfall der RP oder DSP.

KAx04 ist geschlossen → kann nicht geöffnet werden
o Der
Verriegelungsdruck
(QDx03 > 30 mbar).
o Ausfall der DSP.
ist
noch
nicht
unterschritten
Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want
39
to appear here.

KAx05 ist geöffnet → wird geschlossen
o Druck
steigt
über
den
zulässigen
Verriegelungsdruck
(QDx03 > 30 mbar); RP läuft und von der Steuerung liegt kein
Schließbefehl vor.
RP wird abgesperrt und dadurch geschützt.
o Ausfall der RP oder DSP.

KAx05 ist geschlossen → kann nicht geöffnet werden
o Der
Verriegelungsdruck
(QDx03 > 30 mbar).
ist
noch
nicht
o Ausfall der DSP.

KAx06 ist geöffnet → wird geschlossen
o Läuft die RP und ist KAx04/05 geöffnet.

KAx06 ist geschlossen → kann nicht geöffnet werden
o Läuft die RP und ist KAx04/05 geöffnet.

KAx07 ist geschlossen → kann nicht geöffnet werden
o Wenn TMP eingeschaltet ist.

KAx08 ist geschlossen → kann nicht geöffnet werden
o Sollte kein korrosives Gas detektiert sein (vom QMS).
Zum Belüften soll KAx07 genutzt werden.

RP arbeitet → wird abgeschaltet
o Ausfall der DSP.
o Abschaltdruck erreicht (QDx04 > 30 mbar).

TMP arbeitet → wird abgeschaltet
o Ausfall der DSP.
o Abschaltdruck erreicht (QDx02 > 10-01 mbar).
o Kühlwassertemperatur z.B. > 30°C.
Störungsmeldungen:
unterschritten
Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want
40
to appear here.
Der Ausfall eines Elements (Ventil/Schieber/Pumpe/Drucksensor) sowie eine
in Kraft tretende Verriegelung sollen eine Störungsmeldung generieren. Fällt
ein Versorgungsmedium aus, wird dies vom Master erfasst.
6
Übergeordnete Prozesssteuerung
6.1
Freigabesignale und Signale für CoDaC Schnittstelle
Die übergeordnete Prozesssteuerung mit dem lokalen Betriebsmanagement
(IOPM – Master-SPS der Komponente ABG)35 besitzt Schnittstellen zu
anderen Komponenten des W7-X. Der Datentransfer erfolgt über TCP/IP mit
CoDaC36. Freigabesignale sowie Rückgabewerte werden so mit der
zentralen Steuerung ausgetauscht. Ohne entsprechende Freigabesignale
kann nicht mit dem Evakuieren des Kryostats begonnen werden. Dazu
werden folgende Signale benötigt:
Beschreibung
Stromversorgung
Druckluft
Kühlwasser
Zwischenvakuum
Informationsübertragung
Kryovakuum bereitstellen
Tabelle 9:
Status
ok
ok (5-7 bar)
ok (T < 25 °C)
ok (in Bälgen zwingend notwendig, in
Doppeldichtungen sollte es vorhanden sein)
ok (Fehlerfrei; Verbindung zur zentralen
Steuerung sowie zur Sicherheitssteuerung)
ok (von zentraler Steuerung)
Freigabesignale für den Betrieb
Vom Pumpsystem Kryovakuum werden folgende Daten bereitgestellt:
Beschreibung
Druck im Kryostat
Zustand der Pumpstände
Zustand der Hauptschieber
Störungsmeldungen
Tabelle 10:
Status
in mbar
Aus; Not-Aus; Hochvakuum; Stand-By
offen/zu (von jedem Pumpstand)
wie Vakuumeinbruch, Ausfall der
Pumpstände u.a.
Rückgabesignale
35
wird in Abschnitt 7 abgebildet.
36
Abteilung für Control, Data Acquisition and Communication.
Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want
41
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Mit dem Druck im Kryostaten können Freigabesignale für andere
Komponenten generiert werden, wie z.B. dem Spulensystem. Darauf wird in
den einzelnen Zuständen eingegangen.
6.2
Zustände des Pumpsystems
Aufgabe der Prozessteuerung (Master-SPS) wird sein, die Zustände der
Pumpstände (Slave’s) festzulegen, deren Status zu überwachen und die
Rückgabesignale bereitzustellen. Das Pumpsystem Kryostat soll dafür die
folgenden vier Grundzustände annehmen können.
Aus
Vorbereitung
Ein
Not-Aus
(Zentral)
Übergang zum Zustand „Aus“ nach Anwahl
Übergang zum Zustand „Ein“ nach Anwahl
Übergang zum Zustand „Ein“ über „Vorbereitung“ nach Anwahl
Übergang zum Zustand „Not-Aus“ nach Anwahl
Zustand
Abbildung 15:
Zustände der Prozesssteuerung
Zustandsgraph des Pumpsystems Kryostat
Für die Bereitstellung des Hochvakuums stellt die „Vorbereitung“ den
Übergang zu „Ein“ dar. Die Abschaltung bzw. Not-Abschaltung soll zu jedem
Zeitpunkt möglich sein.
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6.2.1 Aus
Wird kein Vakuum im Kryostat benötigt, befinden sich auch alle Pumpstände
im Zustand „Aus“. Die Hauptschieber sind verriegelt. Die Slaves leiten
eigenständig den Belüftungsvorgang der Pumpstände ein, sollte dort kein
Umgebungsdruck
herrschen.
Wartungsarbeiten
können
durchgeführt
werden. Dafür sollte in den autonomen Betrieb umgeschaltet werden und die
Möglichkeit bestehen, alle Elemente zu verriegeln, damit ungewollte
Schalthandlungen während der Arbeiten vermieden werden können.
6.2.2 Not-Aus (Zentral)
Dieser Zustand wird grundsätzlich nur durch ein entsprechendes Signal der
zentralen Steuerung eingeleitet. Daraufhin erhalten alle Pumpstände ein
Not-Aus Signal und verharren in diesem sicheren Zustand bis das Signal
erlischt. Nach der Freigabe befinden sich die Pumpstände im Zustand „Aus“,
ohne belüftet zu sein. Die Aufrechterhaltung des Vakuums zum Schutz der
supraleitenden Komponenten hat hohe Priorität. Aus diesem Grund muss
das Pumpsystem Kryostat direkt wieder hochfahren können und wird erst
belüftet, wenn das Signal von der zentralen Steuerung anliegt.
Falls ein Versorgungsmedium ausfällt und kein zentrales Not-Aus Signal
anliegt, sollen die Pumpstände weiter betrieben werden. Beim Ausfall der
Kühlwasserversorgung könnten die TMP’s z.B. bei einer Wassertemperatur
> 30°C abgeschaltet werden. Ohne Druckluft können Ventile und Schieber
nicht öffnen, dennoch können die zugeschalteten Pumpstände weiter
evakuieren. Aus Sicherheitsgründen sind alle Ventile und Schieber im
stromlosen Zustand geschlossen sowie die Pumpen ausgeschaltet. So agiert
die Steuerung für den Ausfall eines Versorgungsmediums individuell. Nach
Ausfall der Druckluft werden keine Pumpstände zugeschaltet und fällt das
Kühlwassersystem aus, können die TMP’s nach Erreichen der zulässigen
Höchsttemperatur des Kühlwassers abgeschaltet werden. Im Brandfall wird
von der zentralen Steuerung ein zentrales Not-Aus Signal gesendet.
Diese
Betrachtungen
Sicherheitssteuerung getätigt.
wurden
ohne
Berücksichtigung
der
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43
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6.2.3 Vorbereitung
Im Zustand „Vorbereitung“ sollen die Voraussetzungen für den Übergang in
den Zustand „Ein“ geschaffen werden. Beim Evakuieren werden alle
Pumpstände in den „Hochvakuum“ Betrieb versetzt. Um die große Gaslast zu
pumpen
wird
das
gesamte
Saugvermögen
benötigt.
Die
erwartete
Evakuierungszeit von mehreren Tagen bis zu einem Druck von < 10-6 mbar
kann
dadurch
eingehalten
werden.
Dieser
Wert
ist
zugleich
der
Schwellenwert für den Übergang zum Zustand „Ein“.
Geplant ist, dass ab einem Druck von z.B. 10-4 mbar, mit dem Abkühlen der
Spulen begonnen werden kann. Dann kommt die Wechselwirkung zwischen
Kryotechnik und dem Vakuum zum Tragen. Das Saugvermögen erhöht sich
durch das Prinzip der „Kryopumpe“ und der Enddruck kann schneller erreicht
werden. Dazu muss also bei einem Druck im Kryostat von z.B. < 10-4 mbar
ein Freigabesignal für die Kryotechnik der Spulen generiert werden.
Herrscht im Kryostat beim Einschaltsignal ein Vakuum, evakuieren alle
Pumpstände
gegen
die
geschlossen
Hauptschieber
bis
zu
einem
Differenzdruck ≤ 30 mbar. Nachdem alle Schieber geöffnet wurden und die
Druckschwelle von 10-6 mbar erreicht ist, ist die Vorbereitung abgeschlossen.
6.2.4 Ein
Nach
dem
erfolgreichen
Abschließen
der
Vorbereitung
geht
die
übergeordnete Prozesssteuerung in den Zustand „Ein“ über. Ein ausreichend
kleiner Enddruck wurde erreicht, somit wird nicht mehr das gesamte
Saugvermögen benötigt und die TMP’s können zugleich geschont werden.
Aufgabe wird es sein, wenn möglich mit drei Pumpständen und einer
möglichst geringen Drehzahl der TMP’s den Enddruck unter 10-6 mbar zu
halten.
Dazu wurde ein Konzept mit drei unterschiedlichen Abläufen erarbeitet. Die
Abläufe beginnen mit dem Erreichen des Zustandes und somit fünf
arbeitenden Pumpständen bei max. Drehzahl der TMP’s. Man senkt
systematisch die Drehzahl oder weist einem Slave „Stand By“ zu. Bleibt der
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44
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Druck im Kryostat weiterhin unter dem Schwellenwert, wird dieser
Pumpstand ausgeschaltet.
Mit einer sanften Regelung möchte man ein unnötiges Zu- und Abschalten
der Reserve-Pumpstände vermeiden. Pendelt sich der Enddruck in der Nähe
des Schwellenwertes ein, könnte es zu unnötigen Schalthandlungen führen.
Aus diesem Grund wird erst die Drehzahl geregelt und anschließend die
Pumpstände zu- bzw. abgeschaltet.
In den folgenden Abbildungen werden nun drei mögliche Abläufe dargestellt
für den Betrieb im Zustand „Ein“. Aufgrund der Komplexität des Schemas
wird der Druckanstieg nach Erreichen des Endzustands extra behandelt.
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45
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„Ein“, 5 PS im Zustand „HV“, n = 100%
p<10-6 mbar?
Nein
t = 60 s
Ja
5 PS, n = 90%
t = 60 s
5 PS, n = 100%
Nein
-6
p<10 mbar?
Nein
p<10-6 mbar?
Ja
5 PS, n = 80%
t = 60 s
t = 60 s
4 PS, n = 100%
Nein
Nein
Ja
p<10-6 mbar?
p<10-6 mbar?
Ja
5 PS, n = 70%
4 PS, n = 80%
t = 60 s
t = 60 s
t = 60 s
4 PS, n = 90%
p<10-6 mbar?
Nein
Ja
p<10-6 mbar?
Ja
Nein
Nein
Ja
p<10-6 mbar?
4 PS, n = 70%
t = 60 s
t = 60 s
4 PS, n = 80%
-6
p<10 mbar?
Nein
Ja
3 PS, n = 70%
„Ein“, 3 PS im Zustand „HV“, n = 70%
Abbildung 16:
Ablaufschema (1) im Zustand „Ein“
Symbol
Bedeutung
Kommentar
Ja
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46
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Start/Ziel
Nach der Vorbereitung
oder einem starken
Druckanstieg wird der
Ablauf vom Start bis
zum Ziel abgearbeitet.
Bedingung
Die Bedingung wird
geprüft und
dementsprechend
gehandelt.
Aktion
Beinhaltet die
auszuführende
Handlung (Aktion)
Verzögerungszeit
Die Zeit bis zum Prüfen
der nächsten
Bedingung.
Tabelle 11:
Symbole für Programmabläufe
Die Verzögerungszeit wird erst gestartet nachdem die Aktion vollständig
durchgeführt wurde. Bei der Abschaltung eines Pumpstandes soll wie folgt
vorgegangen werden:
1. Zuweisung von „Stand By“ für den abzuschaltenden Pumpstand.
2. Ist der Schieber geschlossen? Starte die Verzögerungszeit von z.B. 60 s.
3.1 weiter im Ablauf.
3.2 Starte Verzögerungszeit von z.B. 5 min.
4. liegt innerhalb der 5 min kein Einschaltbefehl von der Steuerung vor, wird
der Zustand „Aus“ zugewiesen. Soll dieser hingegen wieder zugeschaltet
werden, wird der Schieber KAx11geöffnet.
Beim Zuschalten muss der Pumpstand erst mal über „Stand By“ anlaufen
und nach dem Erreichen des Endzustands bekommt dieser „Ein“
zugewiesen. Danach kann die Verzögerungszeit zum Überprüfen des Drucks
gestartet werden.
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47
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Die Drehzahlstellung besitzt eine große Zeitkonstante. Aus diesem Grund
kann über die Drehzahl der Druck langsam verändert werden. In dieser Zeit
kann sich der Enddruck im Rezipienten einstellen.
„Ein“, 5 PS im Zustand „HV“, n = 100%
p<10-6 mbar?
Nein
t = 60 s
Ja
5 PS, n = 90%
t = 60 s
5 PS, n = 100%
Nein
-6
p<10 mbar?
Nein
p<10-6 mbar?
Ja
5 PS, n = 80%
t = 60 s
t = 60 s
4 PS, n = 100%
Nein
Nein
Ja
-6
p<10 mbar?
p<10-6 mbar?
Ja
4 PS, n = 80%
t = 60 s
t = 60 s
4 PS, n = 90%
p<10-6 mbar?
Nein
Ja
4 PS, n = 70%
t = 60 s
Nein
p<10-6 mbar?
Ja
3 PS, n = 70%
„Ein“, 3 PS im Zustand „HV“, n = 70%
Abbildung 17:
Ablaufschema (2) im Zustand „Ein“
Ja
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48
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Dieses Schema stellt einen dritten möglichen Ablauf dar, indem bei 90% der
max. Drehzahl bereits ein Pumpstand abgeschaltet wird.
„Ein“, 5 PS im Zustand „HV“, n = 100%
t = 60 s
p<10-6 mbar?
Nein
t = 60 s
Ja
5 PS, n = 100%
5 PS, n = 90%
5 PS, n = 100%
t = 60 s
Nein
p<10-6 mbar?
Nein
Ja
p<10-6 mbar?
Nein
p<10-6 mbar?
Ja
t = 60 s
t = 60 s
4 PS, n = 90%
4 PS, n = 100%
4 PS, n = 100%
t = 60 s
Nein
Nein
p<10-6 mbar?
Nein
-6
p<10 mbar?
p<10-6 mbar?
Ja
Nein
p<10-6 mbar?
Ja
t = 60 s
Nein
3 PS, n = 80%
Ja
t = 60 s
Nein
p<10-6 mbar?
Ja
3 PS, n = 70%
„Ein“, 3 PS im Zustand „HV“, n = 70%
Abbildung 18:
4 PS, n = 90%
t = 60 s
t = 60 s
3 PS, n = 100%
t = 60 s
4 PS, n = 80%
t = 60 s
3 PS, n = 90%
p<10-6 mbar?
Ja
Ja
3 PS, n = 90%
p<10-6 mbar?
Ja
Ablaufschema (3) im Zustand „Ein“
Nein
Ja
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49
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Diese Schemata beschreiben die möglichen Abläufe nach dem Erreichen
des Zustands „Ein“. Mit den folgenden zwei Abbildungen werden mögliche
Abläufe für einen Druckanstieg im Kryostat beschrieben.
„Ein“, 3 PS im Zustand „HV“, n = 70%
p<10-6 mbar?
Ja
t = 60 s
Ja
Nein
Nein
3 PS, n = 80%
p<10-6 mbar?
t = 60 s
t = 60 s
p<10-6 mbar?
Ja
3 PS, n = 70%
Ja
Nein
Nein
3 PS, n = 90%
Ja
p<10-6 mbar?
t = 60 s
t = 60 s
p<10-6 mbar?
4 PS, n = 70%
Ja
Nein
p<10-6 mbar?
3 PS, n = 100%
t = 60 s
p<10-6 mbar?
t = 60 s
Ja
4 PS, n = 80%
Ja
Nein
Nein
4 PS, n = 100%
t = 60 s
p<10-6 mbar?
t = 60 s
Ja
Nein
5 PS, n = 100%
„Ein“, 5 PS im Zustand „HV“, n = 100%
Abbildung 19:
p<10-6 mbar?
Ablaufschema (1) für Druckanstieg
4 PS, n = 90%
Nein
Abbildung 20:
Ablaufschema (2) für Druckanstieg
Ja
Ja
5 PS, n = 100%
Nein
p<10-6 mbar?
t = 60 s
5 PS, n = 90%
Nein
p<10-6 mbar?
t = 60 s
5 PS, n = 80%
Nein
p<10-6 mbar?
Ja
Ja
4 PS, n = 100%
t = 60 s
Ja
t = 60 s
-6
4 PS, n = 90%
t = 60 s
p<10-6 mbar?
Ja
p<10 mbar?
Nein
Nein
4 PS, n = 80%
5 PS, n = 70%
Nein
p<10-6 mbar?
t = 60 s
4 PS, n = 100%
Nein
p<10-6 mbar?
t = 60 s
Ja
t = 60 s
-6
p<10 mbar?
Nein
4 PS, n = 70%
4 PS, n = 90%
Nein
p<10-6 mbar?
t = 60 s
Ja
t = 60 s
-6
p<10 mbar?
Nein
3 PS, n = 100%
4 PS, n = 80%
Nein
p<10-6 mbar?
t = 60 s
-6
3 PS, n = 90%
t = 60 s
t = 60 s
Nein
Ja
p<10 mbar?
-6
3 PS, n = 80%
t = 60 s
p<10-6 mbar?
Ja
p<10 mbar?
Ja
Ja
Nein
3 PS, n = 70%
t = 60 s
p<10 mbar?
4 PS, n = 70%
Nein
p<10-6 mbar?
t = 60 s
3 PS, n = 100%
Nein
p<10-6 mbar?
Ja
„Ein“, 5 PS im Zustand „HV“, n = 100%
Ja
Ja
Ja
Ja
t = 60 s
3 PS, n = 90%
Nein
p<10-6 mbar?
t = 60 s
3 PS, n = 80%
Ja
-6
Nein
Nein
t = 60 s
p<10-6 mbar?
Ja
„Ein“, 3 PS im Zustand „HV“, n = 70%
Nein
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50
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51
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Alternativ zu den Abläufen kann auch eine Split-Range-Regelung eingesetzt
werden.
Mit
dieser
Regelung
ist
es
möglich,
Stellgrößen
mit
unterschiedlichem physikalischem Charakter für unterteilte Stellbereiche
(„split ranges“) zu regeln. Dabei stellt der Druck im Kryostat die zu regelnde
Größe und die Anzahl der fördernden Pumpstände sowie die Drehzahl der
Turbomolekularpumpen die Stellgrößen dar. In der folgenden Abbildung wird
der geschlossene Wirkungskreis dargestellt (Regelkreis)
Stelleinrichtungen
z
u1
Kennlinie1
w
e
-
Regler
u
y
Kryostat
u2
Kennlinie2
yM
Drucksensoren
Abbildung 21:
Regelkreis Kryostat (Split-Range-Regelung)
Signale des Regelkreises
w
e
u
u1,2
z
y
yM
-Führungsgröße (Solldruck)
-Regelabweichung
-Stellgröße
-realisierte Stellgröße
-Störgröße (z.B. Leck)
-Regelgröße (Druck im Kryostat)
-gemessene Regelgröße
Nach ersten Überlegungen könnten die Ranges wie in der Abbildung 22
unterteilt
werden.
Zur
Darstellung
wurde
ein
linearer
Regler
gewählt.
x, n
x -Anzahl der fördernden
Pumpstände (5,4,3)
Kennlinie 1
100%
5
n -Drehzahl der TurbomolekularKennlinie 2
pumpen (100-70%)
10-7
Abbildung 22:
Range 1
Ranges nach Erreichen von 10-5 mbar
10-6
Range 2
10-5
p in mbar
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52
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Diese Split-Range-Regelung wäre allerdings nur von Vorteil für das
Erreichen der Druckschwelle von 10-5 mbar (mit fünf Pumpständen und max.
Drehzahl der TMP’s). Dann würde erst die Drehzahl gesenkt und
anschließend die beiden Pumpstände abgeschaltet. Im Falle eines
Druckanstiegs
im
Kryostat,
soll
jedoch
erst
die
Drehzahl
der
Turbomolekularpumpen erhöht und anschließend die Reservepumpstände
zugeschaltet werden. Das wäre mit der Einteilung nach Abbildung 22 nicht
möglich. So muss nach Erreichen der Druckschwelle von 10 -7 mbar mit drei
Pumpständen und der Drehzahl von 70%, die Einteilung der Ranges
verändert
werden.
Abbildung 23
zeigt
die
zweite
Zuordnung
der
Wertebereiche.
x, n
x -Anzahl der fördernden
Pumpstände (5,4,3)
Kennlinie 1
100%
5
n -Drehzahl der TurbomolekularKennlinie 2
pumpen (100-70%)
10-7
Abbildung 23:
Range 1
10-6
Range 2 10-5
p in mbar
Ranges nach Erreichen von 10-7 mbar
So könnten die Wertebereiche der Split-Range-Regelung aussehen. Wird
das Vakuum bereitgestellt, so müssten die Wertebereiche aus Abbildung 22
berücksichtigt werden. Nach Erreichen der Druckschwelle von 10 -7 mbar
müssen die Ranges dann wechseln. Diese Umschaltung müsste also für die
beiden Grenzwerte in Kraft treten. Die Split-Range-Regelung stellt eine
alternative Lösung zu den festen Abläufen dar.
Zusätzlich zur Ablaufsteuerung soll eine automatische Umschaltung
zwischen den Pumpständen erfolgen. In Abständen von einigen Stunden soll
die Konstellation der arbeitenden Pumpen geändert werden. Dafür sind zwei
Umschaltroutinen nötig. Eine beschreibt den Ablauf für drei und die andere
für vier Pumpstände.
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4
3
5
2
4
1
4
3
3
5
5
2
2
1
1
4
4
3
5
3
5
2
1
2
1
n (1,2…,5): Pumpstand im Zustand „Hochvakuum“
n (1,2…,5): Pumpstand im Zustand „Stand By“ oder „Aus“
Abbildung 24:
Umschaltroutine bei Vierer-Konstellation
Vom Prinzip erfolgt die Umschaltung nach einem ähnlichen Muster wie bei
der Zu- und Abschaltung eines Pumpstands. Bei der Umschaltung wird der
Reserve-Pumpstand in „Stand-By“ versetzt. Wurde dieser Zustand erreicht,
wird der Pumpstand zugeschaltet und dem rot markierten wird „Stand-By“
zugewiesen. Nach dem Ablauf der Verzögerungszeit von 5 min, ohne
Einschaltbefehl von der Ablaufsteuerung (falls der Druck stark angestiegen
sein sollte) wird dieser dann ausgeschaltet („Aus“). Ändert sich die Anzahl
der arbeitenden Pumpstände durch die Ablaufsteuerung, muss die
Umschaltroutine von vier auf drei Pumpstände bzw. umgekehrt wechseln. In
der folgenden Abbildung wird nun Umschaltung für drei fördernde
Pumpstände beschrieben.
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54
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4
3
5
2
4
1
4
3
3
5
5
2
2
1
1
4
4
3
5
3
5
2
1
2
1
n (1,2…,5): Pumpstand im Zustand „Hochvakuum“
n (1,2…,5): Pumpstand im Zustand „Stand By“ oder „Aus“
Abbildung 25:
Umschaltroutine bei Dreier-Konstellation
Falls ein Pumpstand aufgrund eines Fehlers ausfällt, muss die Steuerung
reagieren. Steht ein Reservepumpstand zur Verfügung, wird dieser in
„Stand By“ versetzt und danach zugeschaltet „Hochvakuum“.
Somit wurden der Ablauf und die Umschaltung für den Zustand „Ein“
behandelt. Mit den möglichen Abläufen sollte ein möglichst pumpenschonender Betrieb möglich sein.
6.3
Zustände W 7-X
Für die problemlose Interaktion des Systems mit der W7-X Steuerung
müssen dessen Zustände berücksichtigt werden. So ist für einige Zustände
des Experiments ein Vakuum im Kryostat zwingend notwendig. Aus diesem
Grund muss für die Zustände des W7-X „Ausheizen“, „Konditionieren“ und
„Experiment“ das Kryostat Vakuumsystem sich im Zustand „Ein“ befinden. In
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55
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der aktuellen Planung der Betriebszustände ist kein Übergangszustand
vorgesehen. Anhand der aktuell geplanten Zustände soll die Problematik
erläutert werden. In der nachfolgenden Tabelle werden alle möglichen bzw.
erlaubten Zustände des Kryostats denen des W7-X zugeordnet.
Experiment
Konditionieren
Ausheizen
Standby
Kryostat
Aus
Not-Aus
W7-X
Normal
Hot Liner
Not-Aus
X
X
X
X
X
X
X
Aus
O
X
O
O
O
O
O
Vorbereitung
O
X
O
O
O
O
O
Ein
O
X
X
X
X
X
X
Tabelle 12:
Zuordnung der Betriebszustände W7-X und Kryostat
Legende:
X- erlaubt, O- nicht erlaubt
Anhand der Tabelle wird deutlich, dass die „Vorbereitung“ für das Kryostat
Vakuumsystem ausschließlich erlaubt ist, wenn der W7-X im Zustand „Aus“
ist. Für diesen Zustand sollten allerdings alle Systeme tatsächlich aus sein.
Deshalb
wird
ein
Übergangszustand
benötigt,
indem
alle Systeme
hochfahren können und so ein Übergang von „Aus“ zu den anderen
Betriebszuständen ermöglicht wird. Im Unternehmen sollte sich darauf
festgelegt werden, wenn der W7-X „Aus“ ist, dass auch alle Teilsysteme
ausgeschaltet
sind
und
ein
zusätzlicher
Zustand
(„Anfahren“
oder
„Vorbereitung“) eingeplant wird.
Aus diesem Grund wird mit der folgenden Tabelle ein Beispiel geliefert, wie
die zukünftige Zuordnung der Zustände aussehen könnte.
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56
Experiment
Konditionieren
Ausheizen
Aus
Not-Aus
Kryostat
Standby
W7-X
Anfahren/Vorbereitung
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Normal
Hot Liner
Not-Aus
X
X
X
X
X
X
X
X
Aus
O
X
X
O
O
O
O
O
Vorbereitung
O
O
X
O
O
O
O
O
Ein
O
O
X
X
X
X
X
X
Tabelle 13:
Vorschlag für die Zuordnung der Betriebszustände
Legende:
X- erlaubt, O- nicht erlaubt
Für den Zustand „Anfahren/Vorbereitung“ sollte sich das Pumpsystem für
das Kryovakuum auch im Zustand „Aus“ befinden dürfen. Da erst das
Zwischenvakuum bereitgestellt werden muss.
Beim Ausheizen des Plasmagefäßes kann es zu einem erhöhten Gasanfall
kommen, aus diesem Grund sollte das Pumpsystem arbeiten. Somit wird
erkenntlich, dass das Kryovakuum für nahezu alle Betriebszustände des
W7-X benötigt wird.
6.4
Verriegelungen und Störungsmeldungen
Verriegelungen und Störungsmeldungen müssen für die Prozesssteuerung
gesondert betrachtet werden.
Der
Schieber
KAx11
darf
ebenfalls
erst
ab
einem
Differenzdruck
kleiner 30 mbar geöffnet werden. Der Zuschaltbefehl bleibt solange gesperrt.
Die Fehlermeldungen der Slaves werden von der Prozessteuerung registriert
und angezeigt. Sollte ein Pumpstand ausfallen, wird dies der zentralen
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57
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Steuerung über die CoDaC-Schnittstelle gemeldet. Wie in Punkt 6.2.4
beschrieben, wird dann falls vorhanden, der Reservepumpstand aktiv.
Liegt das zentrale Not-Aus Signal an, wird allen Pumpständen der Zustand
„Not-Aus“ zugewiesen. Die Zuteilung von Zuständen bleibt solange gesperrt,
bis das Signal erlischt.
Nach der Betätigung des lokalen Not-Aus-Schalters, signalisiert ein einzelner
Pumpstand, dass er in den „Not-Aus“ Zustand gegangen ist. Anschließend
muss eine Fehlermeldung darauf hinweisen. Diese Meldung muss auch für
die CoDaC-Schnittstelle bereitgestellt werden. Auch für diesen Fall gilt: Sollte
ein Reservepumpstand zur Verfügung stehen, muss dieser hochgefahren
und zugeschaltet werden.
Nach Ablauf der Wartungszeit des jeweiligen Pumpstands muss eine
Meldung generiert werden, der PS jedoch nicht sofort abgeschaltet werden.
Die Meldung erscheint solange, bis die Wartung durchgeführt wurde und die
Nachricht quittiert wurde.
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58
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7
Aufbau der Steuerung
Abschließend soll die Hardware und Software der Steuerung beschrieben
werden.
7.1
Hardware
Dazu wird zuerst die Hierarchieebene der SPS’en am W7-X betrachtet.
Diese ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Zentrale Steuerung W7-X
Master SPS
(Pump-System W7-X)
Master-SPS Kryostat
Master-SPS Plasmagefäß
Teilkomponenten des W7-X
Abbildung 26:
Hierarchie der Steuerungskomponenten am W7-X
Der Master-SPS Kryostat werden die Pumpstände mit ihren SPS‘en
untergeordnet.
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Pumpsystem Kryostat
Master-SPS
SIMATIC S7-400
Slave-SPS 1..5, SIMATIC S7-400
Profibus DP (Lichtwellenleiter)
Modul 1
Modul 2
Modul 3
Modul 5
Modul 5
Stutzen: mx1
Stutzen: mx1
Stutzen: mx1
Stutzen: mx0
Stutzen: mx1
Abbildung 27:
Steuerungsschema für das Pumpsystem Kryostat
Der prinzipielle Aufbau ist somit dargestellt. Da es einige Besonderheiten
beim Aufbau gibt, soll auf diese speziell eingegangen werden.
Durch den Einsatz von PCS737 müssen leistungsstarke CPU’s verwendet
werden. Für die S7-400 können CPU’s ab Baureihe 14 eingesetzt werden.
Diese sind mit einem internen Arbeitsspeicher ab 128 KByte für Programm
und Daten erhältlich.
Die dezentrale Peripherie kann mit SIMATIC ET 200S/200M Modulen
realisiert werden. Für eine hohe Anzahl an Ein- und Ausgängen werden
bevorzugt ET 200M eingesetzt. Kostengünstiger sind hingegen die ET 200S
Module. Die Kommunikation mit der S7-400 kann bei beiden mittels Profibus
oder Profinet erfolgen.
7.2
Software
Im IPP-Greifswald wurde die Verwendung des Prozessleitsystems PCS7
festgelegt. PCS7 stellt ein integriertes Programmpaket mit einem erweiterten
Funktionsumfang gegenüber den bisher verwendeten Tools dar. Die
Software baut auf STEP7 und WinCC auf und liefert neue Funktionen.
In der folgenden Tabelle werden die Vorteile und Nachteile von PCS7
gegenüber gestellt:
37
Distributed Control System 7
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Vorteile
Nachteile
einfache Programmierung mit
höhere Lizenzkosten (PCS7 Lizenz
Prozessmodulen aus
kostet mehr als die nötige STEP7
Standardbibliotheken oder
und WinCC Lizenz)
anwenderspezifisch erstellten
Bibliotheken
mitgelieferte Objekte mit
Einarbeitungszeit → geringere
umfangreichen Systemfunktion
Effizienz im Einführungszeitraum
vom Anwender erstellte Bibliotheken
Schulungsaufwand (Zeit + extra
importierbar für andere Projekte
Kosten)
Hierarchieebene wird von WinCC
Bestehende Projekte benötigen
übernommen
weiterhin STEP7 und WinCC
Runtime-Lizenzen
Gute Integration in WinCC (wird z.B.
benötigt leistungsstarke CPU
ein Drucksensor ausgewertet,
erscheint die Anzeige direkt in
WinCC und man muss sie nur noch
positionieren)
Erhöhung der Zuverlässigkeit
(vorgefertigte Objekte wurden
ausgiebig getestet sowie die
dazugehörigen Systemfunktionen)
bessere Diagnosemöglichkeiten
einfache Integration bestehender
Projekte
nur eine Lizenz nötig
Tabelle 14:
Dabei
sind
Vor- und Nachteile von PCS7
die
entscheidenden
Vorteile
vor
allem,
die
einfache
Programmierung der Module sowie die gute Integration in WinCC. Die
vorgefertigten Bibliotheken und das Anlegen einer eigenen Bibliothek sind
weitere Vorteile, denn die Module können in jedem Projekt genutzt werden
und verkürzen so zukünftig die Entwicklungszeiten neuer Projekte.
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8
Zusammenfassung und Ausblick
Die vorliegende Arbeit dient als Konzept für die Steuerung des KryostatVakuum-Pumpsystems Wendelstein 7-X. Dazu werden in den ersten beiden
Kapiteln die Grundlagen und Notwendigkeit des Kryovakuums genannt.
Nachdem die für das Projekt ausgewählten Vakuumkomponenten in
Kapitel 3 beschrieben wurden, wird der Aufbau eines Pumpstands im
Folgenden
erläutert.
Der
Bauraum
wurde
reserviert
und
die
Konstruktionsplanungen sind in Arbeit. Die Ventile KAx02/04/05 und der
Schieber KAx01 sollten möglichst direkt vor und hinter den Pumpen
positioniert werden. Da durch das kleine Volumen beim Umschalten des
Bypasses auf den Hauptpass die jeweilige Pumpe direkt mit eingeschaltet
werden kann. So entfallen Schritte im Ablaufprogramm und die Dynamik
nimmt zu. Die Hardware muss angesteuert werden und der gesamte Prozess
visualisiert werden. In Abbildung 12 werden die dazu notwendigen
Überlegungen bildlich wiedergegeben. Mit dem RI-Fließbild werden die zu
messenden Größen übersichtlich in einer Abbildung dargestellt. Die
Messwerte fließen in die Ablaufsteuerung eines jeden Pumpstands ein.
Arbeiten diese im übergeordneten Betrieb, weist die Prozessteuerung jedem
Pumpstand seinen Zustand zu. Ziel der Steuerung ist es, das Vakuum im
Verbund bereitzustellen und wenn möglich mit drei Pumpständen und einer
möglichst geringen Drehzahl der Turbomolekularpumpen aufrecht zu
erhalten. Hierfür sind mehrere Ablaufmöglichkeiten sowie eine Split-RangeRegelung erarbeitet worden. Bei einem starken Druckanstieg (z.B. durch ein
Leck) soll das System möglichst so lange weiterfördern bis die Spulen
systematisch erwärmt wurden. Ein dementsprechender Ablauf für den
Druckanstieg wurde in dieser Arbeit entworfen. Des weiteren sollte eine
Umschaltroutine erarbeitet und der Umschaltvorgang erläutert werden. Die
genannten Aufgaben wurden bearbeitet und in der BA nieder geschrieben.
Allerdings fehlt die Anbindung an die zentrale Sicherheitssteuerung des
W7-X in der Arbeit. Dieser Aspekt muss nachträglich gesondert betrachtet
werden.
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In
Kombination
mit
der
Projektspezifikation
[Gro11]
und
der
Sicherheitsanalyse [Gro10] können die Ausschreibungen für die Hardware
und das Unternehmen zur Projektierung getätigt werden. Zusätzlich können
aus der BA, Informationen für die Konstruktionsplanung entnommen werden.
Geplant sind die Bestellungen im Jahr 2012 und die Endmontage im Jahr
2013. Die Montage soll vom IPP Personal vorgenommen werden.
Somit wäre
das Pumpsystem
„Kryovakuum“ am
Experiment W7-X
implementiert und ein weiterer Schritt bis zur Inbetriebnahme des
Fusionsreaktors vollzogen.
Abbildungsverzeichnis
64
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:
Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium ....................... 2
Abbildung 2:
Prinzipieller Aufbau des W7-X ............................................. 6
Abbildung 3:
Sättigungsdampfdrücke relevanter Gase ............................. 9
Abbildung 4:
Funktionsprinzip von Drehschiebervakuumpumpen .......... 14
Abbildung 5:
Saugvermögenskurven der RUVAC WS/WSU, 50 Hz ....... 15
Abbildung 6:
Schema einer Turbomolekularpumpe nach Dr. W. Becker. 16
Abbildung 7:
Saugvermögenskurven der TPH 1801 ............................... 17
Abbildung 8:
Prinzipieller Aufbau der Pumpstände ................................. 20
Abbildung 9:
RI-Fließbild eines Pumpstandes ........................................ 23
Abbildung 10:
Position der TMP’s in der Torushalle ................................. 25
Abbildung 11:
Position der Vor-Vakuumsysteme in der Torushalle .......... 26
Abbildung 12:
Übersicht zur Ansteuerung der Aktoren und Sensoren ...... 27
Abbildung 13:
Zustandsgraph eines Pumpstands .................................... 33
Abbildung 14:
Aus → HV (1. Fall) ............................................................. 37
Abbildung 15:
Zustandsgraph des Pumpsystems Kryostat ....................... 41
Abbildung 16:
Ablaufschema (1) im Zustand „Ein“ ................................... 45
Abbildung 17:
Ablaufschema (2) im Zustand „Ein“ ................................... 47
Abbildung 18:
Ablaufschema (3) im Zustand „Ein“ ................................... 48
Abbildung 19:
Ablaufschema (1) für Druckanstieg .................................... 49
Abbildung 20:
Ablaufschema (2) für Druckanstieg .................................... 50
Abbildung 21:
Regelkreis Kryostat (Split-Range-Regelung) ..................... 51
Abbildung 22:
Ranges nach Erreichen von 10-5 mbar .............................. 51
Abbildung 23:
Ranges nach Erreichen von 10-7 mbar .............................. 52
Abbildung 24:
Umschaltroutine bei Vierer-Konstellation ........................... 53
Abbildung 25:
Umschaltroutine bei Dreier-Konstellation ........................... 54
Abbildung 26:
Hierarchie der Steuerungskomponenten am W7-X ........... 58
Abbildung 27:
Steuerungsschema für das Pumpsystem Kryostat ............ 59
Abbildung 28:
KKS - Kennzeichnung ........................................................ 69
Abbildung 29:
Anordnung der TMP’s ........................................................ 77
Abbildung 30:
Aus → HV (2. Fall) ............................................................. 78
Abbildung 31:
Aus → HV (3. Fall) ............................................................. 79
Abbildung 32:
Aus → HV (4. Fall) ............................................................. 80
Abbildungsverzeichnis
65
Abbildung 33:
Aus → Stand-By ................................................................ 81
Abbildung 34:
Stand-By → Aus ................................................................ 82
Abbildung 35:
Stand-By → HV (1.Fall) ..................................................... 83
Abbildung 36:
Stand-By → HV (2.Fall) ..................................................... 84
Abbildung 37:
Stand-By → HV (3.Fall) ..................................................... 85
Abbildung 38:
Stand-By → HV (4.Fall) ..................................................... 86
Abbildung 39:
HV → Stand-By ................................................................. 86
Abbildung 40:
HV → Aus .......................................................................... 87
Abbildung 41:
Druckanstieg im Zustand „HV“ ........................................... 88
Tabellenverzeichnis
66
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:
Verschiedene Fusionsreaktionen ......................................... 2
Tabelle 2:
Bestandteile der Luft ............................................................ 8
Tabelle 3:
Unterteilung der Vakuumbereiche ..................................... 12
Tabelle 4:
Legende der Bauelemente................................................. 21
Tabelle 5:
Kennbuchstaben und Symbolik nach DIN 19227 Teil 1 ..... 24
Tabelle 6:
Zuordnung der Pumpstände zu den Modulen und Ports ... 24
Tabelle 7:
Übersicht der Abläufe und Zustände eines Pumpstands ... 34
Tabelle 8:
Legende der Ablaufdiagramme .......................................... 35
Tabelle 9:
Freigabesignale für den Betrieb ......................................... 40
Tabelle 10:
Rückgabesignale ............................................................... 40
Tabelle 11:
Symbole für Programmabläufe .......................................... 46
Tabelle 12:
Zuordnung der Betriebszustände W7-X und Kryostat ........ 55
Tabelle 13:
Vorschlag für die Zuordnung der Betriebszustände ........... 56
Tabelle 14:
Vor- und Nachteile von PCS7 ............................................ 60
Quellenverzeichnis
67
Quellenverzeichnis
[Ble11]
Bleck, Eric: vom Prototyp Pumpstand zum Konzept für die
Steuerung eines Vakuumpumpstands für das KryostatVakuum-System Wendelstein 7-X, 2011.
[Gro10]
Grote, Heinz: Sicherheitsanalyse Vakuumsystem Kryostat
(1-ABG-T0000.0), [11.2010].
[Gro11]
Grote, Heinz: Projektspezifikation P052
Kryostat-Vakuumsystem (1-ABG-S0000.0), [09.2011].
[Max03]
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (Hrsg.): Kernfusion.
Berichte aus der Forschung, 2003.
[Max10]
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (Hrsg.): 50 Jahre
Forschung für die Energie der Zukunft, 2010.
[Nor93]
Norm DIN 19 227 Teil1: Graphische Symbole und
Kennbuchstaben für die Prozeßleittechnik, Oktober 1993.
[Oer09]
Oerlikon Leybold Vacuum (Hrsg.): Gesamtkatalog.
Vakuumkomponenten und –technik: 2009.
[Pfe02]
Pfeiffer VACUUM: Grob- und Feinvakuum. Einführung in die
Grob- und Feinvakuum-Erzeugung: 2002.
[Pfe03]
Pfeiffer VACUUM: Arbeiten mit Turbopumpen. Einführung in die
Hoch- und Ultrahochvakuum- Erzeugung: 2003.
[Pup91]
Pupp, Wolfgang/Hartmann, Heinz K.: Vakuumtechnik.
Grundlagen und Anwendungen. München/Wien: Hanser ,1991.
[Ste11]
Steffenhagen, Birgit: Kleine Formelsammlung
-Regelungstechnik. München: Hanser, 2011.
[Umr97]
Umrath, Walter u.a.: Grundlagen der Vakuumtechnik, Köln:
Leybold Vakuum, 1997.
[Wut97]
Wutz, Max/Adam, Hermann/Walcher, Wilhelm: Handbuch der
Vakuumtechnik. Theorie und Praxis. Braunschweig/Wiesbaden:
Vieweg, 1997.
Anhang
68
Abkürzungsverzeichnis
B
- Bor
D
- Deuterium
DP
- Dezentrale Peripherie
DSP
- Drehschieberpumpe
He
- Helium
IPP
- Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Li
- Lithium
MeV
- Mega Elektronenvolt
MS
- Massenspektrometer
n
- Neutronen
p
- Protonen
PLC
- Programmable Logic Controller
PPV
- Penning-Pirani-Vakuummeter
PS
- Pumpstand
QMS
- Quadrupol-Massenspektrometer
RI-Fließbild - Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild
RP
- Rootspumpe
SPS
- Speicherprogrammierbare Steuerung
T
- Tritium
TMP
- Turbomolekularpumpe
W7-X
- Wendelstein 7-X
Anhang
69
Anhang
KKS-Kennzeichnung
Abbildung 28:
KKS - Kennzeichnung
Anhang
Betriebsmittelschlüssel
70
Anhang
71
Anhang
72
Anhang
73
Anhang
74
Anhang
Aggregateschlüssel
75
Anhang
76
Anhang
77
Position der Stutzen und TMP’s
Abbildung 29:
Anordnung der TMP’s
Anhang
78
Ablaufdiagramme
Abbildung 30:
Aus → HV (2. Fall)
Anhang
Abbildung 31:
79
Aus → HV (3. Fall)
Anhang
Abbildung 32:
80
Aus → HV (4. Fall)
Anhang
Abbildung 33:
81
Aus → Stand-By
Anhang
Abbildung 34:
82
Stand-By → Aus
Anhang
Abbildung 35:
83
Stand-By → HV (1.Fall)
Anhang
Abbildung 36:
84
Stand-By → HV (2.Fall)
Anhang
Abbildung 37:
85
Stand-By → HV (3.Fall)
Anhang
86
Abbildung 38:
Stand-By → HV (4.Fall)
Abbildung 39:
HV → Stand-By
Anhang
Abbildung 40:
87
HV → Aus
Anhang
Abbildung 41:
88
Druckanstieg im Zustand „HV“
Anhang
89
Aufbau der Pumpstände
Kennzeichnung
Symbol
Element
KAx11; KAx01
Balgzugschieber (vitongedichtet)
KAx02; KAx03; KAx04;
Eckventil
KAx05; KAx06; KAx07
KAx08;KAx09
Dosierventil
KPx01
Turbomolekularpumpe
KPx02
Rootspumpe
KPx03
Drehschieberpumpe
Fx1
Ölabscheidefilter
QDx01; QDx02; QDx03;
Vakuummeter
QDx04; QDx05; QDx11
DM0n
Quadrupol-Massenspektrometer